/
Автор: Коротин И.М. Сгибнев Г.Ф.
Теги: машиностроение металлы учебное пособие термообработка металлы и сплавы
Год: 1963
Текст
ИМ. КОРОТИН
Г.Ф.СГИБНЕВ
II. М. КОРОТИН, Г. Ф. СГИБНЕВ
ТЕРМИСТ
Одобрено Ученым советом Государственного комитета
по профессионально-техническому образованию
при Госплане СССР
в качестве учебного пособия
для индивидуальной и бригадной подготовки
рабочих на производстве
ВСЕСОЮЗНОЕ
УЧЕБНО-ПЕДАГОГИЧЕСКОЕ ИЗДАТЕЛЬСТВО
ПРОФТЕХИЗДАТ
Москва 1963
бТМ.Ъ!
К68
В книге описываются устройство, назначение и принцип
действия современных типов механизированных и автома-
тизированных термических печей, соляных, масляных и про-
мывочных ванн, муфельных и безмуфельных агрегатов для га-
зовой цементации и нитроцементации стальных деталей; при-
водятся сведения о контрольно-измерительных приборах, о рабо-
чем инструменте и вспомогательном оборудовании, используе-
мом при термической обработке металлов; рассматриваются тех-
нологический процесс и режимы термической и химико-терми-
ческой обработки металлов.
В отдельных главах книги даются сведения о производстве
чугуна, стали, цветных металлов и сплавов, их физических, ме-
ханических и технологических свойствах; освещаются вопросы
организации труда, техники безопасности и технического норми-
рования.
Введение и главы I, II, III, IV и IX написаны Короти-
ным И. М., главы V, VI, VII — Сгибневым Г. Ф., главы VIII, X и
XI написаны авторами совместно. J
Книга является учебным пособием для индивидуальной и
бригадной подготовки рабочих на производстве. *
Все замечания и пожелания по книге просим направлять по .
адресу: Москва, 1-я ул. Машиностроения, 5, Профтехиздат. 5
Chipmaker.ru
Коротин Иван Михайлович, Сгибнев Геннадий Федорович
ТЕРМИСТ. Учебное пособие для индивидуальной и бригадной подго-
товки рабочих на производстве. М., Профтехиздат, 1963.
280 с. с илл. 6П4.51
Научный редактор А. В. Горчаков
Редактор Т. Л. Боброва
Техн, редактор Л. М. Несмыслова
Корректор В. В. Краснов
А 0933-1. Сдано в набор 16/V 1963 г. Поди, к печ. 14/VIII 1963 г.
Формат бум. 60Х90'/1б 17,5 п. л. В 1 п. л. 39 500 зн. Уч.-изд. 17,31 л.
Уч. № 52/6057 Тираж 21 500 Цена 53 кои.
Тип. Профтехиздата, Москва, Хохловский пер., 7. Зак. 1134
ВВЕДЕНИЕ
Совокупность тепловых операций — нагрева до определенной
температуры, выдержки и последующего охлаждения металлов
и сплавов, в результате которых изменяется их структура и они
получают необходимые свойства (прочность, твердость, износо-
стойкость и обрабатываемость), — называют термической обра-
боткой.
В современном машиностроении термическая обработка яв-
ляется одним из важнейших технологических процессов. В каж-
дой машине — грузовом и легковом автомобиле, тракторе, зер-
ноуборочном комбайне и металлорежущем станке — имеются де-
тали, которые в процессе изготовления подвергаются термиче-
ской и химико-термической обработке.
Повышение долговечности деталей и узлов машин, уменьше-
ние их веса и габаритов может быть достигнуто в первую очередь
правильным выбором металла и термической обработкой.
Термическая обработка повышает не только механические
свойства сталей, но и физические и химические свойства спла-
вов. Термической обработкой можно также повысить магнитные
свойства магнитных сплавов и коррозийную стойкость нержаве-
ющих и кислотостойких сталей, прочность жаропрочных сплавов,
из которых изготовляют газовые турбины, муфели цементацион-
ных печей и агрегатов, тигли соляных закалочных ванн и т. д.
Термическая обработка применяется при изготовлении режу-
щего и измерительного инструмента, ковочных и обрезных штам-
пов, штампов холодной штамповки, пресс-форм для литья под
давлением и других приспособлений.
Относительная простота операций и большая эффективность
термической обработки металлов определили давность ее приме-
нения, насчитывающую по меньшей мере около 5000 лет. Так, в
индийских гробницах, относящихся к 3-му тысячелетию до н. э.,
были найдены закаленные стальные мечи.
Среди первых литературных источников, которые содержат
довольно точные описания термической обработки, можно на-
звать бессмертную поэму Гомера (IX—VIII вв. до н. э.) «Одис-
сея», летописи арабских храмов и др.
Высокого искусства в области термической обработки достиг-
ли ремесленники древней Руси и других стран. Они умели хоро-
шо ковать, отжигать, закаливать и цементировать стальные из-
делия. Однако долгое время термическая обработка была своего
рода искусством отдельных мастеров, которые держали его в
секрете. Природа процессов, происходящих в металле при тер-
мической обработке, оставалась непонятной.
Искусство термообработки режущего и колющего оружия
было высоко развито в средние века. Например, знаменитые
клинки из булатной стали были исключительно упруги и твер-
ды, их можно свернуть в кольцо.
Тайну дамасской стали раскрыл русский инженер-металлург
П. П. Аносов. Изготовленные им в 1841 г. булатные клинки ни в
чем не уступали древним, изготовленным легендарными масте-
рами Востока.
Научное объяснение процессов термической обработки впер-
вые было дано русским ученым-металлургом Д. К. Черновым,
справедливо названным «отцом металлографии». В 1868 г. он
научно доказал, что свойства стали при термической обра
ботке определяются ее внутренним строением и что каждый
металл (сплав) имеет определенные критические температуры
(критические точки), при переходе которых скачкообразно изме-
няются его строение и свойства. С точки зрения современной фи-
зики, эти превращения при нагреве и охлаждении стали связа-
ны с перестройкой атомов в металле.
Развитие термообработки как науки стало возможным толь-
ко с середины XIX столетия, когда в Европе начала бурно раз-
виваться промышленность, особенно черная металлургия и ма-
шиностроение, было организовано крупное производство станков
и другого машинного оборудования, двигателей, приборов, воен-
ного снаряжения и пр.
Научное обоснование Д. К. Черновым критических темпера-
тур и последовавшее за ним в 1869 г. открытие Д. И. Менделе-
евым периодической системы элементов явились прочным фунда-
ментом дальнейшего развития науки о металлах и способах их
термической обработки.
Труд многих поколений ученых и исследователей, начиная от
М. В. Ломоносова — гордости и славы русской науки, лег в осно-
ву науки о металлах. Следуя славным традициям русских уче-
ных-патриотов, советские металлурги внесли и продолжают вно-
сить свой вклад в науку о металлах, разрабатывая новые спосо-
бы термообработки.
Программа партии, принятая iHa XXII съезде КПСС, преду-
сматривает дальнейшее развитие машиностроения, производство
высокопроизводительных и экономичных машин, автоматических
линий, точных приборов и различных средств автоматики, теле-
механики и радиоэлектроники.
4
За 20 лет объем производства продукции машиностроитель-
ной и металлообрабатывающей промышленности возрастет в
10—11 раз, в том числе выпуск автоматических и полуавтомати-
ческих линий — более чем в 60 раз.
В числе первоочередных задач, стоящих перед машинострои-
телями и специалистами, работающими в области термической
обработки, важнейшая задача — создание комплексных автома-
тизированных и механизированных установок для термических
и химико-термических процессов.
За последние годы в технологию термической обработки
широко внедрены различные прогрессивные методы: поверхност-
ная закалка нагреванием токами высокой частоты, пламенная
закалка ацетилено-кислородной смесью, газовая цементация,
нитроцементация, ступенчатая и изотермическая закалка, обра-
ботка холодом, термообработка в контролируемых атмосферах;
созданы высокопроизводительные печи и агрегаты новых кон-
струкций.
Широкое распространение получил метод индукционного на-
грева с программным регулированием режимов нагрева и
охлаждения, используются автоматические линии, позволяющие
совмещать термическую обработку в один непрерывный техноло-
гический процесс, сокращается время на операции нагрева и ох-
лаждения, применяются автоматические методы контроля каче-
ства термически обработанных деталей и процессов термической
и химико-термической обработки.
Дальнейший технический прогресс в области термической
обработки будет идти в направлении внедрения поточных мето-
дов термической и химико-термической обработки в автоматизи-
рованных печах и агрегатах, способствующих дальнейшему по-
вышению производительности труда и улучшению качества тер-
мической обработки.
В производственном цикле машиностроительных заводов
термическая обработка деталей является конечной операцией,
которая определяет их эксплуатационные свойства (прочность,
твердость, износостойкость и т. д.). Поэтому молодым рабочим-
термистам необходимы глубокие теоретические знания, практи-
ческие навыки и творческое, сознательное отношение к труду,
чтобы правильно вести процессы термической обработки и вы-
пускать продукцию высокого качества.
Глава I
ОСНОВНЫЕ СВЕДЕНИЯ О ПРОИЗВОДСТВЕ
И ОРГАНИЗАЦИИ РАБОЧЕГО МЕСТА
§ 1. ПОНЯТИЕ ОБ ОРГАНИЗАЦИИ ПРОИЗВОДСТВА
Основными звеньями социалистической промышленности яв-
ляются завод, фабрика, шахта и т. д:
Предприятия машиностроительной промышленности строят-
ся или реконструируются по заранее разработанному плану с
учетом производства определенного вида продукции.
В зависимости от потребности в тех или иных изделиях,
машинах, на предприятиях по-разному организуется их произ-
водство. В промышленности различают три типа производства:
индивидуальное (единичное), серийное и массовое.
Индивидуальное производство характеризуется
выпуском небольшого количества продукции, причем повторения
выпуска такой продукции не предусматривается. Наиболее ха-
рактерным для такого типа производства являются заводы тяже-
лого машиностроения (например, завод Уралмаш), изготов-
ляющие прокатные станы, ковочные и штамповочные прессы, эк-
скаваторы и другие машины. Детали машин на таких заводах в
основном изготовляют рабочие высокой квалификации, исполь-
зуя универсальное оборудование и приспособления.
Серийное производство характеризуется выпуском
продукции сравнительно крупными, ежемесячно повторяющими-
ся партиями (сериями) по заранее предусмотренному плану их
повторения.
В серийном производстве широко применяют механизацию
производственных процессов механической и термической обра-
ботки деталей, оборудование располагают с учетом последова-
тельности технологических и сборочных операций, используют
различные приспособления; рабочий, как правило, выполняет
несколько операций.
К предприятиям серийного производства относятся, напри-
6
мер, станкостроительные, приборостроительные заводы и заводы
сельскохозяйственного машиностроения.
Массовое производство характеризуется непрерыв-
ным выпуском значительного количества однородной продукции
и самым высоким уровнем механизации и автоматизации. Дета-
ли и узлы машин, продукцию, выпускаемую предприятиями мас-
сового производства, в основном изготовляют на специализиро-
ванном оборудовании, автоматических и поточных линиях, при-
меняя транспортные устройства для передачи деталей от одной
операции к другой. Узлы и машины собирают на конвейерах, где
рабочие выполняют одну, постоянно закрепленную за ними опе-
рацию.
Массовое производство позволяет широко внедрять поточный
метод, который характеризуется непрерывностью процесса про-
изводства, т. е. передачей изделия на очередную операцию не-
медленно после выполнения предыдущей при помощи специ-
альных межоперационных транспортных устройств. Типичными
предприятиями массового производства являются автомобиль-
ные, тракторные, подшипниковые заводы, комбинаты, обувные и
текстильные фабрики и др.
§ 2. ОСНОВНЫЕ, ЗАГОТОВИТЕЛЬНЫЕ И ВСПОМОГАТЕЛЬНЫЕ
ЦЕХИ ЗАВОДОВ
Основным производственным звеном предприятия является
цех, который состоит из взаимно связанных по технологическому
процессу участков производства.
На заводах обычно имеется три группы цехов: основные, за-
готовительные и вспомогательные.
К основным цехам относятся механические, сборочные,
прессовые, деревообрабатывающие и арматурные, в (которых из-
готовляют детали, собирают узлы или машины в целом.
К заготовительным относятся литейные черного и
цветного металла, кузнечные, термические, калибровочные и
другие цехи, в которых изготовляют отливки, поковки и придают
металлу и деталям определенные физические свойства.
Вспомогательные цехи — это инструментальные,
штамповые, модельные, ремонтно-механические и др.' Эти цехи
предназначены для изготовления инструмента, пресс-форм,
штампов, моделей, ремонта и модернизации заводского оборудо-
вания.
Количество и размеры заготовительных и вспомогательных
цехов зависят в основном от масштаба производства завода и
структуры основных цехов. Между цехами имеется тесная про-
изводственная связь, обеспечивающая ритмичный и непрерывный
выпуск продукции. Например, на автомобильных заводах колен-
7
чатый вал двигателя штампуют в кузнечном цехе на молотах
при помощи штампов, изготовленных штампово-механическим
цехом. Из кузницы поковку вала направляют в механический
(моторный) цех, где ее сначала обрабатывают на станках, затем
в этом же цехе подвергают термической обработке токами вы-
сокой частоты (закалке), шлифуют и передают в сборочный цех.
Собранные и испытанные моторы направляют на главный кон-
вейер сборки и испытания автомобилей.
Термические цехи относятся к группе заготовительных, од-
нако в производственном процессе они играют важнейшую роль:
здесь закладываются основы прочности и долговечности машин,
надежности их узлов и деталей в эксплуатации.
По производственному признаку термические цехи разде-
ляются на основные — для обработки основной продукции заво-
да — и вспомогательные — для обработки вспомогательной про-
дукции завода.
На автомобильных заводах в основных термических цехах
термической обработке подвергают зубчатые колеса коробки
передач, заднего моста, коленчатые валы, кулачковые валики,
венцы маховика, вилки переключения скорости, полуоси и т. п.
В термических вспомогательных цехах обрабатывают инстру-
мент, штампы, детали оборудования и т. п.
В основе термической обработки лежат процессы нагрева и
охлаждения. Поэтому главным оборудованием термических це-
хов являются нагревательные печи, печные агрегаты, электро-
термические установки и охладительные устройства.
В серийном и массовом производстве термические цехи осна-
щены высокопроизводительным оборудованием (закалочные
агрегаты, печи непрерывного действия для газовой цементации,
безмуфельные агрегаты для нитроцементации). Из этого обору-
дования создаются поточные линии, на которых детали автома-
тически подвергаются необходимым технологическим операциям,
включая проверку качества деталей и управление температур-
ным режимом печей и нагревательных аппаратов.
Во главе термического цеха стоит начальник. Он осуществля-
ет административно-хозяйственное руководство и в своей дея-
тельности подчиняется директору завода. В помощь ему создан
аппарат управления цехом, состоящий из планово-экономическо-
го и диспетчерского бюро, бухгалтерии, а также цеховых служб
механика и энергетика. Кроме того, крупные термические цехи
имеют сектор технического контроля, цеховую металлографиче-
скую лабораторию и группу технологов.
Сектор технического контроля (ОТК) подчиняется общеза-
водскому контрольному отделу, следит за качеством и комп-
лектностью выпускаемой продукции, выявляет причины брака,
разрабатывает мероприятия по его предупреждению и устране-
нию.
8
Группа технологов разрабатывает и внедряет технологиче-
ские процессы и передовые прогрессивные методы организации
производства.
В цеховой металлографической лаборатории проверяют каче-
ство термической обработки: глубину цементованного слоя,
структуру цементируемых и закаленных деталей, контролируют
твердость сердцевины деталей, а также выявляют трещины, пе-
регрев металла и другие дефекты.
Цех делится на производственные участки, каждый из кото-
рых возглавляется старшим мастером. Старшему мастеру под-
чиняются сменные мастера и неосвобожденные бригадиры, воз-
главляющие бригады.
Старший мастер в цехе является непосредственным органи-
затором производства и активным участником внедрения новой
техники, прогрессивной технологии, а также воспитателем моло-
дых рабочих.
Бригадир — это руководитель группы рабочих, обычно на-
значаемый из числа высококвалифицированных опытных рабо-
чих. Он оказывает техническую помощь членам своей бригады,
дает советы, как лучше и производительнее выполнить ту или
иную работу.
§ 3. РАБОЧЕЕ МЕСТО ТЕРМИСТА
Рабочим местом 1называется участок производственной
площади, оснащенный необходимым оборудованием, инструмен-
том и приспособлениями для выполнения различных операций.
От правильной организации рабочего места зависит рост произ-
водительности труда, безопасность работы и выпуск высокока-
чественной продукции.
Рабочее место термиста должно не только оснащаться основ-
ными средствами производства, вспомогательными устройствами
и инструментом, iho и иметь правильную планировку (рис. 1).
К основному оборудованию рабочего места термиста относятся
нагревательные газовые или электрические печи, агрегаты, уста-
новки токов высокой частоты, соляные печи (ванны), приспособ-
ления и инструмент, а к вспомогательным устройствам — транс-
портеры, рольганги, транспортные тележки и кран-балки.
Техническая документация должна находиться на видном
месте и недалеко от нагревательных печей.
Рациональная организация рабочего места и наиболее удоб-
ная планировка оборудования и вспомогательных устройств об-
легчают труд, экономят силы, время и создают безопасные
условия работы. Поверхность пола от печей до закалочных ба-
ков, приборов управления и т. п. должна быть ровной и сухой.
На рабочем месте не должно быть ничего лишнего.
9
Рабочие инструменты и приспособления нужно располагать
на определенном месте и так, чтобы их можно было брать быст-
ро, без лишних движений. У рабочего места должны иметься пло-
щадки для подачи деталей на обработку и складывания готовой
продукции.
Рис. 1. Рабочее место термиста
Большое значение имеет чистота рабочего места, так как
термисту приходится работать у нагревательных печей, энерге-
тических установок, масляных баков и т. п.
В процессе работы термист должен повседневно бороться
за повышение культуры производства, выполнять правила внут-
реннего распорядка.
Контрольные вопросы
1. Перечислите основные виды производства.
2. Назовите три группы цехов завода.
3. Какова организация управления термическим цехом?
4. Расскажите об организации рабочего места термиста.
Глава II
ТЕХНИКА БЕЗОПАСНОСТИ, ПРОТИВОПОЖАРНЫЕ
МЕРОПРИЯТИЯ И ПРОИЗВОДСТВЕННАЯ САНИТАРИЯ
§ 1. ТЕХНИКА БЕЗОПАСНОСТИ
В СССР охране труда и технике безопасности уделяется
большое внимание. Все достижения науки и техники поставлены
на службу трудовому человеку, подчинены интересам улучше-
ния условий его труда.
Техника безопасности предусматривает меры и способы пре-
дупреждения несчастных случаев на производстве. Государство
ежегодно расходует большие средства на мероприятия по охране
труда. Однако полная безопасность работы во многом зависит
от знаний рабочими основных правил техники безопасности и
строгого их выполнения. Поэтому при поступлении на работу
каждый рабочий должен пройти инструктаж по технике безо-
пасности. На территории завода (во дворе, в здании, на подъ-
ездных путях) рабочий должен быть внимательным к сигналам,
подаваемым водителями движущегося транспорта, крановщика-
ми электрокранов, и не находиться под поднятым грузом.
Во дворе завода категорически запрещается проходить в ме-
стах, не предназначенных для прохода, подлезать под стоящий
железнодорожный состав и перебегать путь впереди движущего-
ся транспорта.
Необходимо помнить, что дисциплинированность и соблюде-
ние правил техники безопасности в цехе и на территории заво-
да являются важнейшими условиями сохранения жизни и здо-
ровья себе и окружающим товарищам.
Правила техники безопасности при работе на пламенных и
электрических печах, соляных ваннах, установках ТВЧ и других
агрегатах подробно изложены в последующих главах.
11
§ 2. ПРОТИВОПОЖАРНЫЕ МЕРОПРИЯТИЯ
Пожар на производстве — сравнительно редкое явление,
однако, если он возникает, то приводит к большому материаль-
ному ущербу.
Противопожарные мероприятия в термических цехах в основ-
ном состоят из профилактических мероприятий: регулярной
очистки трубопроводов от сажи, поддержания в исправном со-
стоянии газопроводов, маслоохладительной системы, особенно
отвода циркулирующего масла, во избежание его перелива через
борта баков.
Курить разрешено только в специально отведенных для этого
местах.
После окончания работы рабочий обязан собрать все промас-
ленные тряпки, обтирочные концы и сложить их в железный
ящик.
Правила пожарной безопасности запрещают пользоваться
открытым огнем и производить работы, связанные с появлением
искр, например сварку. Легковоспламеняющиеся вещества —
керосин, ацетон и др. — необходимо хранить только в закрытых
сосудах, металлических шкафах и специальных помещениях.
На предприятиях и в цехах должны быть противопожарные
посты, где находится необходимый пожарный инвентарь, пенные
огнетушители и ящики с сухим песком.
В случае возникновения пожара в цехе необходимо сразу
же сообщить мастеру или старшему по смене и вызвать пожар-
ную команду, а до ее прибытия организовать тушение пожара,
используя для этого огнетушители, песок, воду и т. д.
§ 3. ПРОИЗВОДСТВЕННАЯ САНИТАРИЯ
Производственная санитария — это совокупность мероприя-
тий, выполняемых с целью охраны здоровья трудящихся.
Советское правительство и профсоюзные организации затра-
чивают большие средства для создания здоровых и культурных
условий труда. Для этого на заводах проводятся мероприятия,
обеспечивающие высокую производительность труда и безопас-
ность работы и снижающие утомляемость.
Безопасности и оздоровлению труда в термических цехах и
отделениях способствует комплексная механизация технологи-
ческих процессов, операций загрузки и разгрузки нагреватель-
ных печей, применение теплоизолирующих защитных экранов,
водяного и воздушного душа и т. д.
Большое значение в борьбе за повышение производительно-
сти труда и снижение утомляемости имеет личная гигиена. Тер-
мист обязан всегда содержать себя в чистоте и опрятности и за-
ниматься физической культурой.
12
Термисты пользуются дополнительным отпуском, получают
специальную рабочую одежду, обувь и защитные приспособле-
ния: очки и рукавицы.
Для оказания первой помощи в термическом цехе имеется ап-
течка. В крупных цехах оборудованы медицинские пункты, в ко-
торых дежурной медицинской сестрой или врачом оказывается
первая помощь или пострадавшему выдается направление в по-
ликлинику. Каждый рабочий на предприятии должен уметь ока-
зать пострадавшему товарищу первую медицинскую помощь.
Точное выполнение и соблюдение мероприятий по производ-
ственной санитарии предохраняет рабочих от профессиональных
заболеваний.
Контрольные вопросы
1. Какое значение в производственном процессе имеет техника безопас-
ности?
2. Назовите основные причины, вызывающие пожары в цехах.
3. Что должен предпринять термист при возникновении пожара?
4. Какое значение имеет производственная санитария для оздоровления
условий труда термиста?
Глава III
ОСНОВЫ ОБЩЕЙ ТЕХНОЛОГИИ МЕТАЛЛОВ
§ 1. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ О МЕТАЛЛАХ И СПЛАВАХ
Металлы и металлические сплавы являются важнейшими ма-
териалами современной техники и играют большую роль в на-
родном хозяйстве нашей страны. В металлах нуждается не толь-
ко машиностроение, транспорт, строительная индустрия и сред-
ства связи, но и другие важные отрасли промышленности.
По производству металла судят об уровне индустриального
развития страны, ее экономической и оборонной мощи. Програм-
ма КПСС, принятая XXII съездом партии, предусматривает бы-
строе увеличение производства металла. Уже через двадцать
лет выплавка стали в СССР примерно на 55 миллионов тонн
превысит уровень выплавки стали в США.
Из известных в настоящее время элементов около 80% от-
носятся к металлам. Характерными признаками металлов яв-
ляются металлический блеск, высокая электро- и теплопровод-
ность, а также пластичность — способность изменять форму под
действием внешних сил и сохранять полученную форму после
прекращения действия этих сил. На пластичности основаны та-
кие способы обработки металлов, как прокатка, ковка, штампов-
ка и волочение.
Технически чистые металлы находят незначительное приме-
нение в промышленности. Большинство наиболее распространен-
ных металлов используют в виде металлических сплавов. Под
металлическим сплавом подразумевают вещество, получаемое
сплавлением двух или более элементов.
Металлические сплавы имеют более высокие механические
свойства и дешевле чистых металлов. Например, чистое железо
весьма мягкое, с невысокой прочностью, зато в сплаве с углеро-
дом после термической обработки оно обладает очень высокой
прочностью.
Металлы разделяются на черные и цветные.
14
К черным металлам, составляющим 90—95% всех выплав-
ляемых в стране металлов, относятся сталь и чугун.
Цветные металлы делятся на тяжелые, удельный вес которых
более 3 г/ся3 (свинец, хром, цинк, никель и др.), легкие с удель-
ным весом менее 3 г)см? (магний, алюминий, натрий, бериллий
и др.) и благородные или драгоценные (платина, золото и се-
ребро).
§ 2. ОСНОВНЫЕ СВОЙСТВА МЕТАЛЛОВ И СПЛАВОВ
Все металлы и металлические сплавы обладают определен-
ными свойствами. Свойства металлов и сплавов разделяют на
четыре группы: физические, химические, механические и техно-
логические.
Физические свойства. К физическим свойствам металлов и
сплавов относятся: плотность, температура плавления, тепло-
проводность, тепловое расширение, удельная теплоемкость, элек-
тропроводность и способность намагничиваться. Физические
свойства некоторых металлов приведены в табл. 1.
Таблица 1
Физические свойства металлов
Название металла Удельный вес, г! см3 Темпера- тура плав- ления, °C Коэффи- циент линейного расшире- ния, а-10-6 Удельная теплоемкость С, кал1,г-град Теплопро- водность X, к ал {см- ев к-град Удельное электросопро- тивление при ом-мм2 20°, м
Алюминий 2,7 660 23,9 0,21 0,48 0,029
Ванадий . 6,0 1720 12,3 0,11 — —
Вольфрам . 19,3 3377 45,0 0,34 0,38 0,053
Железо . . 7,86 1539 11,9 0,11 0,14 0,10
Кобальт . . 8,9 • 1480 12,7 0,10 0,16 0,097
Магний . . 1,74 651 26,0 0,25 0,37 0,044
Марганец 7,2 1260 23,0 0,12 — 0,05
Медь . . . 8,92 1083 26,7 0,09 0,92 0,044
Молибден . 10,2 2622 5,2 0,065 0,35 0,054
Никель . . 8,9 1455 13,7 0,11 0,14 0,070
Олово . . . 7,31 232 22,4 0,055 0,16 0,113
Свинец . . 11,3 327 29,3 0,031 0,084 0,208
Титан . . . 4,5 1660 7,14 0,11 — 0,048
Хром . . . 7,1 1800 8,4 0,111 — 0,131
Цинк . . . 7,14 420 32,6 0,91 0,27 0,061
Плотность. Количество вещества, содержащееся в едини-
це объема, называют плотностью. Плотность металла может
изменяться в зависимости от способа его производства и харак-
тера обработки.
15
Температура плавления. Температуру, при которой
металл полностью переходит из твердого состояния в жидкое,
называют температурой плавления. Каждый металл или сплав
имеет свою температуру плавления. Знание температуры плав-
ления металлов помогает правильно вести тепловые процессы
при термической обработке металлов.
Теплопроводность. Способность тел передавать теп-
ло от более нагретых частиц к менее нагретым называют тепло-
проводностью. Теплопроводность металла определяется количе-
ством теплоты, которое проходит по металлическому стержню
сечением в 1 см2, длиной 1 см в течение 1 сек. при разности тем-
ператур в 1° С.
Тепловое расширение. Нагревание металла до опре-
деленной температуры вызывает его расширение.
Величину удлинения металла при нагревании легко опреде-
лить, если известен коэффициент линейного расширения метал-
ла а. Коэффициент объемного расширения металла р равен
За.
Удельная теплоемкость. Количество тепла, которое
необходимо для повышения температуры 1 г вещества на 1°С,
называют удельной теплоемкостью. Металлы по сравнению с
другими веществами обладают меньшей теплоемкостью, поэто-
му их нагревают без больших затрат тепла.
Электропроводность. Способность металлов прово-
дить электрический ток называют электропроводностью. Основ-
ной величиной, характеризующей электрические свойства ме-
талла, является удельное электросопротивление р, т. е. сопротив-
ление, которое оказывает току проволока из данного металла
длиной 1 м и сечением 1 мм2. Оно определяется в омах. Величи-
ну, обратную удельному электросопротивлению, называют элек-
тропроводностью.
Большинство металлов обладает высокой электропроводно-
стью, например серебро, медь и алюминий. С повышением тем-
пературы электропроводность уменьшается, а с понижением уве-
личивается.
Магнитные свойства. Магнитные свойства металлов
характеризуются следующими величинами: остаточной индук-
цией, коэрцетивной силой и магнитной проницаемостью.
Остаточной индукцией (Вг) называют магнитную индукцию,
сохраняющуюся в образце после его намагничивания и сня-
тия магнитного поля. Остаточную индукцию измеряют в гаус-
сах.
Коэрцетивной силой (Нс) называют напряженность маг-
нитного поля, которая должна быть приложена к образцу, чтобы
свести к нулю остаточную индукцию, т. е. размагнитить образец.
Коэрцетивную силу измеряют в эрстедах.
Магнитная проницаемость ll характеризует способность ме-
16
талла намагничиваться под действием магнитного поля. Она
определяется по формуле
Железо, никель, кобальт и гадолиний притягиваются к внеш-
нему магнитному полю значительно сильнее, чем остальные
металлы, и постоянно сохраняют способность намагничиваться.
Эти металлы называются ферромагнитными (от латинского сло-
ва феррум — железо), а их магнитные свойства — ферромагне-
тизмом. При нагреве до температуры 768°С (температура Кю-
ри) ферромагнетизм исчезает, и металл становится немагнит-
ным.
Химические свойства. Химическими свойствами металлов
и металлических сплавов называют свойства, определяющие их
отношение к химическим воздействиям различных активных
сред. Каждый металл или сплав обладает определенной способ-
ностью сопротивляться воздействию этих сред.
Химические воздействия среды проявляются в различных
формах: железо ржавеет, бронза покрывается зеленым слоем
.окиси, сталь при нагреве в закалочных печах без защитной ат-
мосферы окисляется, превращаясь в окалину, а в серной кислоте
растворяется и т. д. Поэтому для практического использования
^металлов и сплавов необходимо знать их химические свойства,
рти свойства определяют по изменению веса испытуемых об-
разцов за единицу времени на единицу поверхности. Например,
сопротивление стали окалинообразованию (жаростойкость)
устанавливают по увеличению веса образцов за 1 час на 1 дм по-
верхности в граммах (привес получается за счет образования
окислов).
Механические свойства. Механические свойства определяют
работоспособность металлов и сплавов при воздействии на них
внешних сил. К ним относятся прочность, твердость, упругость,
пластичность, ударная вязкость и др.
Для определения механических свойств металлов и сплавов
их подвергают различным испытаниям.
Испытание на растяжение (разрыв). Это основной
способ испытания, применяемый для определения предела про-
порциональности Опц, предела текучести or предела прочно-
сти относительного удлинения б и относительного сужения ф.
Для испытания на растяжение изготовляют специальные об-
разцы— цилиндрические и плоские (рис. 2). Они могут быть
различных размеров, в зависимости от типа разрывной машины,
на которой испытывают металл на растяжение. На рис. 3 пока-
зана универсальная разрывная машина с механическим приво-
дом и маятниковым силоизмерителем.
2-1134 Г~~. _ I---------------- 17
Рис. 2. Образцы для испытания на
растяжение:
а — плоский, б — цилиндрический, Л — дли-
на головки, при помощи которой образец
закрепляется в захватах машины, 10 —рас-
четная длина образца до испытания (ра-,
бочая часть), d0— диаметр цилиндрическо-
го образца до испытания; а — толщина
плоского образца, b — ширина плоского
образца, L — общая длина образца
Рис. 3. Универсальная разрывная
машина на 10—200 т
Разрывная машина работает следующим образом: испытуе-
мый образец закрепляют в зажимах головок и постепенно растя-
гивают с возрастающей силой Р до разрыва.
Результаты таких испытаний можно изобразить в виде диа-
граммы растяжения (рис. 4). По вертикальной оси в определен-
ном масштабе наносится прилагаемая нагрузка Р, а по гори-
зонтальной оси — удлинение образца Д/.
Из диаграммы видно, что в начале испытания при небольших
нагрузках образец деформируется упруго, удлинение его про-
порционально возрастанию нагрузки. (Это показано прямой ли-
нией до точки Рр ). Зависимость удлинения образца от прило-
женной нагрузки называют законом пропорциональности.
Наибольшую нагрузку, которую может выдержать образец
без отклонения от закона пропорциональности, называют преде-
лом пропорциональности:
______________________________
°ПЦ - Р ,
Г о
где Рр —нагрузка в точке Рр, кгс\
/*0 — начальная площадь поперечного сечения образца, лш2.
При увеличении нагрузки кривая отклоняется в сторону, т. е.
закон пропорциональности нарушается. До точки Рр деформа-
ция образца была упругой. Деформация называется упругой,
если она полностью исчезает после разгрузки образца. Практи-
чески предел упругости для стали принимают равным пределу
пропорциональности.
С дальнейшим увеличением нагрузки (выше точки Ре) кри-
вая начинает значительно отклоняться. Наименьшую нагрузку»
при которой образец деформируется без заметного увеличения
нагрузки, называют пределом текучести:
где Р s — нагрузка в точке кгс\
Fq — начальная площадь поперечного сечения образца, мм2.
После предела текучести нагрузка увеличивается до точки
Рв, где она достигает своего максимума. Делением максималь-
ной нагрузки на площадь поперечного сечения образца опреде-
ляют предел прочности:
где Рв— нагрузка в точке Рь, кгс\
Fq — начальная площадь поперечного сечения образца, мм2.
В точке Рк образец разрывается. По изменению образца
2е 19
после разрыва судят о пластичности металла, которая характе-
ризуется относительным удлинением 6 и сужением ф.
Под относительным удлинением понимают отношение при-
ращения длины образца после разрыва к его начальной дли-
не, выраженное в процентах:
8 = 1-±—^ 100%»
h
где /1 — длина образца после разрыва, мм;
/о — начальная длина образца, мм.
Относительным сужением называется отношение уменьшения
площади поперечного сечения образца после разрыва к его на-
чальной площади поперечного сечения:
?= 100°/о’
где Fo — начальная площадь сечения образца, мм2;
Fi — площадь поперечного сечения образца в месте разры-
ва (шейка), мм2.
Испытание на
ство металлов и сплавов
ползучесть. Ползучесть — это свой-
медленно
и
Рис. 5. Образец для испытания на удар
непрерывно пластически
деформироваться при по-
стоянной нагрузке и вы-
соких температурах.
Основной целью испыта-
ния на ползучесть яв-
ляется определение пре-
дела ползучести — вели-
чины напряжения, дей-
ствующего продолжи-
тельное время при опре-
деленной температуре.
Для деталей, работающих длительное время при повышенных
температурах, учитывают только скорость ползучести при уста-
новившемся процессе и задают граничные условия, например
1% за 1000 час. или 1°/о за 10 000 час.
Испытание на ударную вязкость. Способность
металлов оказывать сопротивление действию ударных нагрузок
называют ударной вязкостью. Испытанию на ударную вязкость
в основном подвергают конструкционные стали, так как они
должны иметь не только высокие показатели статической проч-
ности, но и высокую ударную вязкость.
Для испытания берут образец стандартной формы и разме-
ров (рис. 5). Образец надрезают посередине, чтобы он в процес-
се испытания переломился в этом месте.
Образец испытывают следующим образом (рис. 6). На опо-
ры маятникового копра кладут испытуемый образец 5 надрезом
к станине 1. Маятник 4 весом G поднимают на высоту hi. При
20
падении с этой высоты маятник острием ножа 3 разрушает .об-
разец, после чего поднимается на высоту /12.
По весу маятника и высоте его подъема до и после разруше-
ния образца определяют затраченную работу А.
Цифровые данные работы А приведены на шкале 2. Зная
работу разрушения образца, вычисляем ударную вязкость:
где А — работа, затраченная на разрушение образца, кгс -м;
F — площадь поперечного сечения образца в месте иадреза,
см2.
Рис. 6. Испытание на удар:
а — маятниковый копер, б — схема действия маятникового копра
Испытание на твердость. Способность металла со-
противляться проникновению в него более твердого тела назы-
вают твердостью. Испытание на твердость — один из распро-
страненных видов проверки механических -свойств и качества
термической обработки.
Существует несколько способов испытания металлов на
твердость: вдавливание, упругая отдача, царапание и физиче-
ский способ.
Наиболее широко применяют способ вдавливания, при кото-
ром твердость определяют вдавливанием в испытуемый металл
шарика из твердой стали (способ Бринелля), вдавливанием
21
вершины алмазного конуса (способ Роквелла) и вдавливанием
вершины алмазной пирамиды (способ Викерса).
Способ Бринелля. Сущность этого способа заключается в
том, что, используя механический пресс, в испытуемый металл
под определенной нагрузкой вдавливают стальной закаленный
р р Р
Рис. 7. Схема испытания твердости:
а — способ Бринелля, б — способ Роквелла, в — способ Викерса
шарик (рис. 7, а) и по диаметру полученного отпечатка опреде-
ляют твердость (табл. 2).
При определении твердости на автоматическом прессе с ме-
ханическим приводом (рис. 8) деталь устанавливают на столик
Рис. 8. Схема пресса Бринелля
22
1 и при помощи ручного штурвала И плотно прижимают к ша-
рику 2, закрепленному в шпинделе. Шпиндель опирается на
пружину 5, которая создает предварительную нагрузку, равную
100 кгс. Основная нагрузка может быть равной 250, 750, 1000,
3000 кгс. Нагрузка осуществляется следующим образом: элек-
тродвигатель приводит во вращательное движение эксцентрик
8 через коробку скоростей. Вращаясь, эксцентрик опускает ша-
тун 7, в результате чего груз 6 через рычаги 4 и 5 действует на
шарик. После 30-секундной выдержки испытуемая деталь ос-
вобождается от нагрузки. О возвращении рычагов и груза в ис-
ходное положение сигнализирует звонок 9. Пресс приводится в
действие пусковым механизмом 10.
В результате испытания на детали появляется отпечаток
(лунка), диаметр которого измеряют оптической лупой, имею-
щей шкалу с ценой деления 0,1 мм. По полученному диаметру
отпечатка определяют число твердости НВ (табл. 2). Во избе-
жание деформации стального шарика твердость детали НВ
должна быть не более 450.
Способ Роквелла. Для определения твердости по способу
Роквелла применяют алмазный конус с углом при вершине 120°
(рис. 7, б) или стальной шарик диаметром 1,58 мм. При этом
способе измеряют не диаметр отпечатка, а глубину вдавлива-
ния алмазного конуса или стального шарика. Твердость указы-
вается стрелкой индикатора сразу после окончания испытания.
Схема прибора Роквелла изображена на рис. 9.
Прибор состоит из чугунной станины 12, опорного столика
9 для установки испытуемого образца, наконечника 8, вставлен-
ного в шпиндель 7, рычажной системы 5 и набора съемных гру-
зов /, 2 и 3 (40, 50 и 60 кгс). Опорный столик может переме-
щаться при помощи винта 10 и маховичка 11.
Для равномерного увеличения нагрузки на испытуемый об-
разец при откидывании ручки 6 прибор имеет масляный тор-
моз 4.
При испытании закаленных деталей с высокой твердостью
применяют алмазный конус и груз в 150 кгс. Твердость в этом
случае отсчитывают по шкале С и обозначают HRC. Если при
испытании берется стальной шарик и груз в 100 кгс, то твердость
отсчитывают по шкале В и обозначают HRB. При испытании
очень твердых материалов или тонких изделий используют ал-
мазный конус и груз в 60 кгс. Твердость при этом отсчитывают
по шкале А и обозначают HRA. Детали для определения твердо-
сти на приборе Роквелла должны быть хорошо зачищенными и
не иметь глубоких рисок. Способ Роквелла позволяет точно и
быстро производить испытание металлов.
Способ Викерса. При определении твердости по способу
Викерса в качестве наконечника, вдавливаемого в материал,
применяют четырехгранную алмазную пирамиду с углом между
23
гранями 136° (рис. 7, в). Полученный отпечаток измеряют при
помощи микроскопа, имеющегося в приборе. Затем по табл. 2 на-
ходят число твердости ЯУ. При измерении твердости применяют
одну из следующих нагрузок: 5, 10, 20, 30, 50, 100 кгс. Небольшие
нагрузки позволяют определять твердость тонких изделий и по-
верхностных слоев азотируемых и цианируемых деталей.
Прибор Викерса обычно используют в лабораториях.
Рис. 9. Схема прибора Роквелла
Способ определения микротвердости. Этим способом измеря-
ют твердость очень тонких поверхностных слоев и некоторых
структурных составляющих сплавов.
Микротвердость определяют по прибору ПМТ-3, который со-
стоит из механизма для вдавливания алмазной пирамиды под
нагрузкой 0,005—0,5 кгс и металлографического микроскопа.
В результате испытания определяют длину диагонали получен-
ного отпечатка, после чего по таблице находят значение твердо-
сти. В качестве образцов для определения микротвердости при-
меняют микрошлифы с полированной поверхностью.
24
Таблица 2
Переводная таблица твердости
Число твердости по
Диаметр отпечатка (мм) по Бринеллю, диаметр шарика 10 мм, нагрузка 3000 кгс Бринеллю НВ Роквеллу Викерсу HV Шору HSh
шкалы
HRC HRB HRA
2,20 780 72 84 1224 106
2,25 745 70 — 83 1116 102
2,30 712 68 — 82 1022 98
2,35 682 66 — 81 941 94
2,40 653 64 — 80 868 91
2,45 627 62 — 79 804 87
2,50 601 60 — 78 746 84
2,55 578 58 —- 78 694 81
2,60 555 56 — 77 650 78
2,65 534 54 — 76 606 76
2,70 514 52 — 75 587 73
2,75 495 50 — 74 551 71
2,80 477 49 — 74 534 68
2,85 461 48 — 73 502 66
2,90 444 46 — 73 474 64
2,95 429 45 — 72 460 62
3,00 415 43 — 72 435 61
3,05 401 42 — 71 423 50
3,10 388 41 — 71 401 57
3,15 375 40 —- 70 390 56
3,20 363 39 — 70 380 54
3,25 352 38 — 69 361 53-
3,30 341 36 — 68 344 51
3,35 331 35 — 67 334 50
3,40 321 33 — 67 320 49'
3,45 311 32 — 66 311 47
3,50 302 31 — .66 303 46=
3,55 293 30 — 65 292 45-
3,60 285 29 — 65 285 44
3,65 277 28 — 64 278 43
3,70 269 27 — 64* 270 42
3,75 262 26 — 63 261 41
3,80 255 25 — . 63 255 40
3,85 248 24 — 62 249 39
3,90 241 23 102 62 240 38
3,95 235 21 101 61 235 37
4,00 229 20 100 61 228 36
4,05 223 19 99 60 222 35
4,10 217 17 98 60 217 34
4,15 212 15 97 59 213 34
4,20 207 14 95 59 208 33
4,25 201 13 94 58 201 32
4,30 197 12 93 58 197 31
4,35 192 11 92 57 192 30
4,40 187 9 91 57 186 30
25
Продолжение табл. 2
Диаметр отпечатка (мм) по Бринеллю, диаметр шарика 10 мм, нагрузка 3000 кгс Число твердости по
Бринеллю НВ Роквеллу Викерсу HV Шору HSh
шкалы
HRC HRB HRA
4,45 183 8 90 56 183 29
4,50 179 7 90 56 178 29
4,55 174 6 89 55 174 28
4,60 170 4 88 55 171 28
4,65 167 3 87 54 166 27
4,70 163 2 86 53 162 27
4,75 159 1 85 53 159 26
4,80 156 0 84 52 155 26
4,85 152 —. 83 — 152 25
4,90 149 — 82 — 149 24
4,95 146 — 81 — 148 24
5,00 143 — 80 — 143 24
Рис. 10. Схема прибора
Шора:
1 — образец, 2 — боек, 3 — шкала
Способ упругой отдачи. Для определения твер-
дости способом упругой отдачи применяют прибор Шора
(рис. 10), работающий следующим об-
разом. На хорошо зачищенную поверх-
ность испытуемой детали с высоты Н
падает боек, снабженный алмазным
наконечником. Ударившись о поверх-
ность детали, боек поднимается на вы-
соту h. По высоте отскакивания бойка
отсчитывают числа твердости. Чем
тверже испытуемый металл, тем боль-
ше высота отскакивания бойка, и на-
оборот.
Прибор Шора используют в основ-
ном для проверки твердости больших
коленчатых валов, головок шатуна, ци-
линдров и других крупных деталей,
твердость которых трудно измерять на
других приборах.
Прибор Шора позволяет проверять
шлифованные детали без нарушения
качества поверхности, однако получае-
мые результаты проверки не всегда
точны.
Способ царапания. Этот спо-
соб, в отличие от описанных, характе-
ризуется тем, что при испытании про-
26
исходит не только упругая и пластическая деформация испытуе-
мого материала, но и его разрушение.
Схема прибора для определения твердости царапанием изоб-
ражена на рис. 11.
На поверхности испытуемой детали 1 при перемещении
стрелки 7 наносятся царапины алмазным конусом 2 с углом у
вершины 90°. Нагрузка на конце алмазного конуса передается на
поверхность испытуемой детали от неподвижного 4 и подвижно-
го 6 грузов при помощи коромысла 3, опирающегося на призму
5. Нагрузка не должна превышать 50 кгс.
12 3 4 5 6 7
Рис. 11. Схема прибора для определения твердости царапанием
Твердость металла определяют или нагрузкой, соответствую-
щей ширине царапины в 0,01 лии, или величиной, обратной ши-
рине царапины, которая получается при определенной на-
грузке.
В настоящее время для проверки твердости и качества тер-
мической обработки стальных заготовок и готовых деталей без
разрушения применяют прибор — индуктивный дефектоскоп
ДИ-4. Этот прибор работает на вихревых токах, возбуждаемых
переменным электромагнитным полем, которое создается датчи-
ками в контролируемых деталях и эталоне.
§ 3. КРИСТАЛЛИЗАЦИЯ МЕТАЛЛОВ И СПЛАВОВ
Строение металлов. По своему строению твердые тела делят-
ся на кристаллические (металлы и сплавы в твердом состоя-
нии) и аморфные (стекла, смолы и др.). Атомы кристаллических
тел в отличие от аморфных, имеющих хаотическое расположение
атомов, находятся в определенных местах, образуя систему, пе-
27
риодически повторяющуюся в пространстве. Совокупность таких
мест называют кристаллической решеткой.
Кристаллическую решетку металла можно представить в ви-
де системы простых геометрических фигур. В металлах чаще
всего встречаются три типа расположения атомов (рис. 12):
1) в углах и в центре куба — кубическая объемноцентриро-
ванная решетка (рис. 12, а); 2) по углам куба и в середине
каждой его грани — кубическая гранецентрированная решетка
(рис. 12, б); 3) в углах и в
Рис. 12. Элементарные
кристаллические решетки:
а — кубическая объемноцентрированная,
б — кубическая гранецентрированная, в —
гексагональная
центре на шестигранных
основаниях призмы и три
атома внутри ее — плотно
упакованная гексагональ-
ная решетка (рис. 12, в).
Атомная структура метал-
Рис- 13. Схема строения
металлического кристалла
лов, характер расположения атомов и измерение расстояний
между ними определяются при помощи рентгеновских лучей.
Расстояния между соседними атомами а в кристаллической ре-
шетке очень малы и для их измерения принята особая едини-
ца— ангстрем, равная 10-8 см. На рис. 12 атомы изображены
в виде кружочков. В действительности их можно только прибли-
зительно представить в виде шаров, касающихся друг друга и
образующих кристаллическую решетку (рис. 12, справа).
В узлах кристаллической решетки расположены положитель-
но заряженные частицы — ионы, пространство между которыми
заполнено отрицательно заряженными частицами — электрона-
ми, свободно передвигающимися в кристаллической решетке ме-
талла и как бы образующими электронный газ (рис. 13). Таким
23
образом, металл можно рассматривать как систему положитель-
но заряженных частиц, расположенных в узлах решетки и окру-
женных электронным газом.
Атомы, расположенные в узлах кристаллической решетки,
находятся в непрерывном тепловом движении (колебании).
С повышением температуры металла амплитуда колебаний ато-
мов резко возрастает и наоборот. Если металл расплавить, то
кристаллическая решетка
разрушится и атомы нач-
нут беспорядочно пере-
двигаться.
Изменение строения
или параметров кристал-
лической решетки метал-
ла всегда приводит к из-
менению его физико-хи-
мических свойств. Процесс
перестройки атомов одно-
го вида пространственной
решетки в другой или зна-
чительное изменение па-
раметров решетки при оп-
ределенных температурах
^называют аллотропичес-
ким превращением. Алло-
тропические формы, в ко-
торых кристаллизуется
металл, называют моди-
фикациями, обозначаемы-
ми а, 0, у, б и т. д.
Аллотропические пре-
Рис. 14. Кривые охлаждения чистого
железа
вращения при охлажде-
нии чистого железа показаны iHa рис. 14.
При температуре 1539° С железо из жидкого состояния пере-
ходит в твердое. В результате образуется б-железо, имеющее
кристаллическую решетку объемноцен-трированного куба. При
дальнейшем охлаждении (до 1400° С) б-железо принимает новую
аллотропическую форму — у-железо, а решетка объемноцент-
рированного куба перестраивается в решетку гранецентрирован-
ного куба. Такое железо немагнитно. Охлаждение с 910 до
768° С вызывает переход у-железа в 0-железо с кристалличе-
ской решеткой объемноцентрированного куба. При температуре
768° С кристаллическая решетка уже не перестраивается, а толь-
ко внутренне изменяется. Ниже этой температуры железо стано-
вится магнитным. Таким образом, самостоятельными кристал-
лическими решетками, т. е. аллотропическими формами, являют-
ся а- и у-жслезо.
29
Кроме железа, аллотропические превращения могут испыты-
вать кобальт, олово, марганец и другие металлы.
Процесс кристаллизации. При переходе металла из жидкого
состояния в твердое образуются кристаллы. Такой процесс на-
зывают кристаллизацией.
Процесс кристаллизации металла можно рассматривать по
кривым охлаждения, которые обычно получают опытным путем.
Например, для чистого металла, охлаждаемого очень медленно,
кривая охлаждения (рис. 15, а) показывает, что, если металл
Рис. 15. Кривые охлаждения металлов
и неметаллов:
а — чистого металла, б — металлического сплава, в — аморф-
ного тела
находится в жидком состоянии, температура понижается почти
равномерно. Если металл охладить до температуры плавления
Гпл (точка а на кривой), то начинается кристаллизация и па-
дение температуры прекращается, несмотря на непрерывную от-
дачу тепла окружающей атмосфере. Получаемый горизонталь-
ный участок на кривой охлаждения показывает, что в металле
происходит процесс образования кристаллов с выделением теп-
ла, называемый теплотой кристаллизации. Кристаллизация про-
текает от точки а до точки б, где она заканчивается и металл за-
твердевает. Дальнейшее падение температуры на кривой указы-
вает на охлаждение затвердевшего слитка.
В металлических сплавах кривая охлаждения имеет несколь-
ко иной вид (рис. 15, б). Охладившись до температуры плавле-
ния ТПЛ , сплав еще некоторое время остается жидким. Кри-
сталлизация сплава начинается при температуре переохлажде-
ния Тп , лежащей ниже теоретической температуры плавления.
Разность между теоретической и фактической температурами
кристаллизации называют степенью переохлаждения. Она зави-
сит от природы сплава, его чистоты и скорости охлаждения.
Чем больше скорость охлаждения сплава, тем больше степень
30
переохлаждения. Петля на кривой охлаждения показывает, что
кристаллизация сопровождается выделением тепла, которое
повышает температуру сплава до температуры плавления, под-
держивая ее до полного затвердевания металла.
Аморфные тела затвердевают постепенно. В этом случае кри-
вая охлаждения (рис. 15, в) будет плавной, без горизонтальных
площадок.
Процесс образования
кристаллов (рис. 16)
состоит из двух одно-
временно протекаю-
щих стадий: появления
зародышей — устойчи-
вых центров кристал-
лизации и роста крис- .
талликов вокруг этих '
центров.
Сначала каждый
кристаллик в жидкости
растет свободно (рис.
16, а, б, в), сохраняя
правильную геометри-
ческую форму. Так как
одновременно обра-
зуется много кристал-
лических центров и
рост кристалликов идет
по всем направлениям,
то смежные кристал-
лы, увеличиваясь, на-
чинают непосредствен-
но соприкасаться друг д)
с другом (рис. 16, г, д}
и правильная форма их
нарушается. В резуль- Рис. 16. Схема образования кристаллов:
тате кристалл приобре- а> б' в’ г’ ’^-стадии кристаллизации
тает округленную фор-
му, напоминающую зерно (рис. 16, е). Такие кристаллы при-
нято называть кристаллитами, или зернами.
В зависимости от условий затвердевания зерна могут быть
крупными, хорошо различимыми невооруженным глазом, и мел-
кими, которые можно рассмотреть только при помощи металло-
графического микроскопа.
Процесс кристаллизации может быть описан количественно,
если известны зарождение центров кристаллизации и скорость
роста кристалликов. Число центров кристаллизации и скорость
роста кристалликов зависят от степени переохлаждения метал-
31
Рис. 17. График зависимости степени
кристаллизации от числа центров и
скорости роста
.ла. Эту зависимость можно изобразить графически (рис. 17).
Из рисунка видно, что с увеличением степени переохлаждения
ЛТ число центров и скорость роста также возрастают, достигая
максимального значения. Однако характер роста величин числа
центров и скорости роста различен.
Если степень переохлаждения невелика, то скорость роста
преобладает над числом центров, в результате чего образуется
. крупнозернистая струк-
тура. С увеличением
степени переохлажде-
ния скорость роста не
изменяется, число цен-
тров продолжает расти,
что приводит к образо-
ванию мелкозернистой
структуры.
Структура металлов
и сплавов. Наблюдае-
мое кристаллическое
строение металла или
сплава называют струк-
турой. Крупное строе-
ние металла, видимое
невооруженным глазом
или при помощи прос-
тейшего оптического
прибора — лупы, назы-
вают макроструктурой.
Макроанализ применя-
ют для выявления в
металле величины, фор-
мы и расположения зе-
рен, дендритности или
волокнистости строе-
ния, ликвации серы и фосфора, усадочной рыхлости, пустот и
трещин.
Строение металла рассматривают по специальным образ-
цам — микрошлифам. Вырезанный образец шлифуют на на-
ждачной бумаге, затем протравливают в химических реактивах,
действие которых основано на способности по-разному раство-
рять структурные составляющие, а также выявлять микропоры,
трещины и другие дефекты в металле.
Мелкое строение металла, невидимое невооруженным гла-
зом, называют микроструктурой.
Микроанализом исследуют структуру металла при помощи
металлографического микроскопа. Впервые микроанализ для
исследования структуры закаленной стали применил в 1831 г.
.32
Рис. 18. Общий вид микроскопа МИМ-7
П. П. Аносов, и сейчас этот метод оказывает большую помощь
промышленности. Микроанализ позволяет не только определить
структуру металла в литом, отожженном состоянии и после
различных видов термической и химико-термической обработки,
после внешних механических воздействий (наклеп дробью, об-
катка роликами и др.), но и установить качество металла — за-
грязненность его неметаллическими включениями (сульфидами,
оксидами), величину зерен, глубину цементованного слоя и т. д.
Для исследования
микроструктуры берет-
ся небольшой микро-
шлиф, вырезаемый из
испытуемого материа-
ла, одну сторону кото-
рого шлифуют, полиру-
ют и затем подвергают
травлению реакти-
вом — 4-процентным
раствором азотной кис-
лоты в этиловом спир-
те. Выявление структу-
ры производят в ре-
зультате различного
травления отдельных
составляющих и раз-
личной их окраски.
Цель травления — ис-
кусственно вызвать в
металле неодинаковое
отражение света раз-
личными структурными
составляющими или по-
лучить резкие границы,
отделяющие одно зерно
от другого.
На рис. 18 показан
металлографический вертикальный микроскоп МИМ-7. С его
помощью можно рассматривать и фотографировать микрошли-
фы любого металла, увеличивая их в несколько сот раз.
Наряду с обычными микроскопами в настоящее время для
глубоких исследований металлов применяют электронный мик-
роскоп, в котором вместо световых лучей используются элект-
ронные. Электронный микроскоп позволяет изучать металл при
увеличении до 200 тыс. раз.
Строение стального слитка. В металлургическом производстве
выплавленную в конверторах или мартеновской печи сталь за-
ливают в металлические формы, называемые изложницами, За-
3—1134 33
литая в изложницы сталь охлаждается неравномерно (рис. 19).
В местах, соприкасающихся со стенками изложницы, сталь
быстро охлаждается, затвердевая в виде мелкозернистой плотной
корки 1. По направлению к центру слитка охлаждение происхо-
дит медленнее, в результате чего образуются длинные столбча-
тые кристаллы 2, располагающиеся перпендикулярно стенкам
изложницы. В центральной (осевой) части слитка 3 охлаждение
происходит еще медленнее. Эта часть слитка состоит из равно-
Рис. 19. Схема продольного разреза
стального слитка
осных кристаллов, располо-
женных беспорядочно, и мел-
ких древовидных кристаллов —
дендритов 4. Дендриты возни-
кают из-за недостатка жидкого
металла для образования
сплошного кристалла. В верх-
ней части слитка образуется
усадочная раковина 5.
Центральная часть слитка
застывает позже остальных и
в ней сосредоточивается значи-
тельное количество серы, фос-
фора и других примесей, ухуд-
шающих механические свой-
ства стали. Сердцевина слитка
обладает и другим недостат-
ком — она менее плотна, чем
наружная часть.
К наиболее часто встречаю-
щимся дефектам стального
слитка относятся: усадочные
раковины, ликвация, флокены,
газовые пузыри, неметалличе-
ские включения и т. п.
Усадочная раковина представляет собой полость,
образующуюся при затвердевании слитка в результате сокраще-
ния в объеме. Эта часть слитка, составляющая 12—20%, идет в
отходы. Остальную часть металла применяют для различного
вида проката — листов, штанг, труб, проволоки, тавровых профи-
лей и т. п.
Ликвация — это неравномерное расположение химиче-
ских элементов в слитке. Ликвацию в большинстве случаев
устраняют длительным отжигом при высокой температуре на-
грева.
Газовые пузыри представляют собой пустоты, имею-
щиеся в различных местах слитка. Они обычно образуются в се-
редине слитка или под коркой.
К неметаллическим включениям относятся кри-
34
сталлики окиси алюминия, силикаты (кварц, стекло), печной
шлак и др. Неметаллические включения нарушают сплошность
стали и часто приводят к образованию трещин, особенно в про-
цессе термической обработки.
Флокены — это маленькие нитевидные трещины, дающие
в изломе металла белые пятна. Концентрация напряжений в
флокенах может привести к усталостному излому. Флокены об-
разуются в результате растворения в стали водорода. Это серь-
езныи вид дефекта стали
и его практически невозмож-
но исправить.
Строение и свойства
стали после горячей дефор-
мации. При ковке, штампов-
ке и прокатке стальных слит-
ков неоднородность структу-
ры не исчезает. На поверх-
ности кованых и катаных
заготовок металл наиболее
плотен, чист и прочен, а
сердцевина имеет некоторую
пористость и рыхлость.
При обработке стальных
слитков давлением дендриты
разрушаются и вытягивают-
ся в направлении деформа-
ции. Поэтому кованая и ка-
а) б)
Рис. 20. Схема макростросния болта:
а — полученного горячей высадкой, б —
полученного обработкой резанием
таная сталь состоит из длинных волокон чистого металла (оси
дендритов) и металла, загрязненного .неметаллическими вклю-
чениями (междуосные пространства).
В каждом прутке и листе волокна строго ориентированы
в направлении проката. Металл неравнопрочен относительно
направления в нем этих волокон. Эта неравнопрочность прояв-
ляется главным образом при ударных нагрузках. Например, при
испытании на сопротивление удару образцы, взятые поперек оси
прутка, имеют ударную вязкость значительно меньшую, чем об-
разцы, взятые вдоль оси проката.
Волокнистое строение, полученное при обработке металла
давлением, сохраняется и при последующей обработке. Искус-
ственно создавая то или иное расположение волокон в детали,
можно изменять его прочность по различным .направлениям. На
рис. 20 показана схема расположения волокон в головке болта.
Головка болта, полученная в горячем состоянии на высадочной
машине (рис. 20, а), значительно прочнее связана с его стерж-
нем, чем головка того же болта, полученная токарной обработкой
из катаного прутка (рис. 20, б).
3* 35
Детали с повышенной прочностью изготовляют таким обра-
зом, чтобы волокна металла описывали конфигурацию детали и
она испытывала напряжение в ответственных местах не вдоль
волокон, а поперек. Например, в кованых зубчатых колесах тре-
буется радиальное расположение волокон, а в кольцах подшип-
ников — тангенциальное.
§ 4. ДИАГРАММА СОСТОЯНИЯ СИСТЕМЫ ЖЕЛЕЗО — УГЛЕРОД
При изучении структуры чугуна и стали строят диаграммы
состояния — графические изображения, дающие наглядное пред-
ставление о кристаллизации и превращениях, совершающихся
при их нагреве и охлаждении.
Процесс кристаллизации зависит от того, какие фазы обра-
зуются из жидкого раствора сплава.
Фазой называют однородную часть системы, отделенную
ют других частей поверхностью раздела. Фазы делятся на твер-
дые, жидкие и газообразные. Фазами могут быть чистые эле-
менты, химические соединения, твердые и жидкие растворы и па-
ры. Природа образующихся фаз определяет вид диаграммы со-
стояния. Процесс кристаллизации подчиняется правилу фаз, ко-
торое показывает, происходит ли процесс кристаллизации при
постоянной температуре или в интервале температур и какое ко-
личество фаз может одновременно существовать.
Элементы, входящие в сплав, 1называются компонентами.
В зависимости от количества составляющих сплавы могут быть
двух-, трех-, четырех- и более компонентными. Кроме основных
компонентов, технические сплавы могут содержать в небольших
количествах и другие элементы, называемые примесями. Посто-*
янными примесями являются сера и фосфор.
Компоненты в жидком состоянии обладают неограниченной
растворимостью. В твердом сплаве они образуют механическую
смесь кристалликов исходных материалов или находятся в хи-
мическом соединении друг с другом или в виде так называемо-
го твердого раствора.
Системой называют группу веществ, выделенную из про-
чих окружающих веществ для исследования в известных услови-
ях температуры, давления и других факторов. Например, сплав
определенного состава, в котором хотят проследить превраще-
ния, происходящие при нагреве или охлаждении, представляет
собой систему.
Диаграмма состояний строится по критическим точкам, оп-
ределяемым различными методами. Одним из важнейших мето-
дов является термический.
Диаграмма состояния железо — углерод имеет большое
практическое значение и является основой для изучения процес-
36
сов термической обработки чугуна и стали. По ней определяют
виды термической обработки, температурные интервалы превра-
щений и т. д.
Кроме того, диаграмма может быть использована для пред-
сказания микроструктуры при любой заданной температуре.
Диаграмму создавали в течение многих лет ученые различ-
ных стран. Особенно большой вклад в построение диаграммы
Рис. 21. Диаграмма состояния железо — углерод
внес русский металлург Д. К. Чернов, которому принадлежит
приоритет открытия превращений в сталях и критических то-
чек.
Диаграмма состояния системы железо — углерод изображена
на рис. 21. По горизонтальной оси диаграммы откладывается со-
держание углерода в сплаве в процентах, по вертикальной —
температура в °C. Каждая точка на диаграмме характеризует
определенный состав сплава при определенной температуре.
Превращения в сплавах железо — углерод происходят не толь-
ко при затвердевании сплава в жидком состоянии, но и в твер-
дом благодаря переходу железа из одной аллотропической фор-
мы в другую.
37
В зависимости от температуры и содержания углерода, спла-
вы железо — углерод могут иметь структурные составляющие:
феррит, цементит, перлит, аустенит, ледебурит и графит (рис. 22).
Физико-химическая природа этих структурных составляющих
различна.
Феррит представляет собой твердый раствор углерода в
a-железе. При 723° С в a-железе может содержаться до 0,02%
углерода, а при 20° С всего лишь 0,006% углерода. Феррит обла-
дает высокой пластичностью, низкой твердостью (НВ 80—10Э),
прочностью = 25 кгс/мм2) и магнитными свойствами, которые
сохраняются до температуры 768° С.
Цементит — химическое соединение железа с углеродом,
т. е. карбид железа Fe3C. Цементит содержит 6,63% углерода и
до 210° С сохраняет магнитные свойства. Цементит очень хруп-
кий и обладает твердостью НВ 760—800. В структуре стали и
чугуна он находится в виде игл, отдельных включений и сетки
по границам зерен.
Перлитом называют механическую смесь феррита с цемен-
титом. Перлит — это продукт распада аустенита при медленном
охлаждении. Он может быть пластинчатым или зернистым.
В нем содержится 0,8% углерода. Механические свойства перли-
та зависят от степени измельчения частичек цементита.
Ледебурит представляет собой эвтектику, состоящую из
цементита и аустенита и образующуюся при кристаллизации
жидкого сплава, который содержит 4,3% углерода. Ледебурит
обладает высокой твердостью (НВ до 700) и хрупкостью. Верх-
няя часть диаграммы (см. рис. 21) ограничена линией ABCD,
называемой линией ликвидуса.
Чистое железо плавится и затвердевает при 1539°С (точ-
ка Л), а чугун, содержащий 4,3% углерода, — при 1130°С (точ-
ка С).
Г рафит — это кристаллическая разновидность углерода. Он
имеет черный цвет и встречается в структуре чугуна и графити-
зированной стали.
Когда температура сплава соответствует линии АС, начинает-
ся процесс кристаллизации: из жидкого сплава выделяются
кристаллы аустенита, а па линии CD — цементит. Так как це-
ментит выделяется из жидкого сплава в процессе первичной кри-
сталлизации, то его называют первичным. Линия AECF является
линией солидуса. В точке С сплав, содержащий 4,3% углерода,
переходит в твердое кристаллическое состояние. Эту точку и
сплав такого состава называют эвтектическими. Структура эв-
тектического сплава представляет собой ледебурит. Таким обра-
зом, чугун, содержащий 4,3% углерода, называют эвтектичес-
ким, менее 4,3% углерода — доэвтектическим и более 4,3% угле-
рода — заэвтектическим.
В зоне III диаграммы сплав состоит из цементита и жидкого
38
a)
д)
б)
Рис. 22- Основные элементы
микроструктуры стали и чугуна:
а — феррит (Х500), б — цементит (Х250),
в — аустенит (Х500), г — пластинчатый
перлит (X30 000), д — ледебурит (Х500),
е — графит (Х250)
»)
39
сплава, а в зоне // — из кристалликов аустенита и жидкого
сплава. Содержание углерода в кристалликах аустенита опре-
деляется линией AIE.
При температурах, соответствующих линии АВ, из жидкого
сплава выделяется твердый раствор 6. На горизонтали HIB
при 1486° С происходит перитектическое превращение. Остав-
шийся жидкий сплав взаимодействует с твердым раствором бив
точке / переходит в аустенит, левее
Рис. 23. Стальной участок диаграммы
состояния железо—углерод
точки / — в структуру
аустенит — твердый
раствор 6, правее точ-
ки I—в аустенит и
жидкий сплав. Затвер-
девание сплавов, содер-
жащих до 2% углеро-
да, заканчивается на
линии АШЕ. Ниже ли-
нии HIE, в зоне IV,
сплавы представляют
собой аустенит.
В нижней части ди-
аграммы превращения
происходят в твердом
состоянии. Линия GS
(линия Л3) представля-
ет собой температуры
начала выделения фер-
рита из аустенита. Она
показывает, что темпе-
ратура образования
феррита понижается с
910° С (точка G) для
чистого
723° С (точка S) для
сплава,
0,8% углерода. Феррит,
который выделяется из
аустенита при охлаждении, содержит не более 0,02% углерода.
При понижении температуры до 723° С (линия PS) в зоне
VIII сплав состоит из феррита и аустенита. В точке S аустенит
переходит в перлит. В результате превращений сплавы, содер-
жащие менее 0,8% углерода, имеют структуру феррита и перли-
та (зона IX). При 0,8% углерода в структуре остается только
перлит, называемый эвтектоидом. Сталь, содержащую 0,8% уг-
лерода, называют эвтектоидной, менее 0,8 углерода — доэвтек-
тоидной, более 0,8% углерода — заэвтектоидной.
В зоне V находятся в равновесии две структурные составля-
ющие— цементит и аустенит. Линия SE определяет предел рас-
железа до
содержащего
40
творимости углерода в аустените. При 1130° С (точка Е) в аусте-
ните растворяется 2% углерода. В зоне X структура сплава со-
стоит из перлита и вторичного цементита.
В зоне VI сплав состоит из ледебурита, аустенита и вторично-
го цементита, в зоне VII — из первичного цементита и ледебу-
рита, в зоне XI — из перлита, вторичного цементита и ледебу-
рита и, наконец, в зоне XII — из ледебурита и первичного цемен-
тита.
Рис. 24. Схема распределения фаз и структур по диаграмме:
/ — жидкое состояние, II — жидкий сплав и кристаллы аустенита, III — жидкий
сплав и кристаллы первичного цементита, IV — кристаллы аустенита, V — крис-
таллы аустенита и вторичного цементита, VI — кристаллы аустенита и вторичного
цементита на фоне ледебурита, VII — кристаллы первичного цементита на фоне
ледебурита, VIII — кристаллы аустенита и феррита. IX — кристаллы феррита и пер-
лита, X — кристаллы вторичного цементита и перлита, XI — перлит на фоне леде-
бурита, XII — первичный цементит на фоне ледебурита
Описанные изменения структуры сплавов при охлаждении об-
ратимы.
Температуры, при которых начинается или заканчивается
процесс фазовых превращений в металле или сплаве, называют
критическими точками. Рассмотрим «стальной» участок диаграм-
мы состояния железо — углерод (рис. 23). Возьмем для примера
три сплава: доэвтектоидный (/), эвтектоидный (II) и заэвтек-
тоидный (III). При медленном нагреве от комнатной температу-
ры до 723° С (точка а) в сплаве I фазовых изменений не проис-
ходит. При температуре 723° С перлит превращается в аустенит.
Такую температуру называют нижней критической точкой и
41
обозначают ACt . Буква С указывает на то, что температура оста-
новки получается при нагреве стали, а единица подтверждает
образование критической точки на линии PSK. Охлаждение ста-
ли отмечают буквой г (АГ1 ). При дальнейшем нагреве в спла-
ве / зерна феррита растворяются в аустените. Растворение за-
канчивается в точке 01, лежащей на линии GS. Температуру
окончания растворения феррита в аустените называют верхней
критической точкой и обозначают при нагреве сплава—Аез, при
охлаждении —Аг.{.
Если нагревать эвтектоидный сплав //, то перлит в точке S
(линия PSK) при 723° С превращается в аустенит. Критические
точки ACl и Ас. при этом совместятся.
При нагреве сплава III в точке b при 723° С перлит превра-
щается в аустенит (точка ACi ). Дальнейший нагрев вызывает
растворение цементита в аустените и в точке &i, лежащей на
линии SE, процесс заканчивается. Эту точку называют критиче-
ской и обозначают Аст.
Таким образом, ла диаграмме железо — углерод критические
точки, образующие линию PSK, обозначаются Ас (при нагре-
ве) и Art (при охлаждении), линия GSK— Аез, линия SE—
Астп и Лгт. Знание критических точек значительно облегчает тер-
мисту дальнейшее изучение процессов термической обработ-
ки сталей.
Рассматривая диаграмму состояний железо — цементит в
связи с происходящими превращениями в сплаве, можно видеть,
как на ней распределены фазы и в каком структурном сочета-
нии (рис. 24).
§ 5. ЧУГУНЫ
Чугуном называют сплав железа с углеродом, в котором со-
держится более 2% углерода.
Чугун получают восстановлением из природных руд железа
с последующим насыщением его углеродом. Чугун выплавляют
в высоких шахтных печах — домнах. Выплавляемые чугуны раз-
деляются на передельные, специальные (ферросплавы) и литей-
ные. Передельные и специальные чугуны в основном применяют
для выплавки стали, а литейные чугуны — для отливки различ-
ных деталей станков и машин.
Чугун обладает важными физическими и технологическими
свойствами: невысокой температурой плавления (1180—1200°С),
повышенными литейными свойствами и высокой износостойко-
стью.
Значительная хрупкость и малая пластичность обычных чу-
гунов является их основным недостатком. Однако другие свой-
ства и экономичность чугуна вполне компенсируют его недо-
статки.
42
В зависимости от того, в каком состоянии и форме находит-
ся в чугуне углерод, чугуны разделяются на белые, серые, ков-
кие и высокопрочные.
Белый чугун. В белом чугуне углерод находится в свя-
занном состоянии — в химическом соединении — цементит. Нали-
чие большого количества цементита придает белому чугуну вы-
сокую твердость, хрупкость и очень низкую обрабатываемость
режущим инструментом. Кроме того, белый чугун обладает вы-
сокой износостойкостью. Его применяют главным образом для
Рис. 25. Графитовые включения
в чугуне (X 100):
а — крупные, б — мелкие, в — гнездовые
отливки деталей с последующим отжигом на ковкий чугун, на-
пример мельничных шаров, вагонных колес, прокатных валков,
причем в последних основа, или сердцевина, состоит из серого,
а поверхность, работающая на истирание, из белого чугуна.
Серый чугун. В сером чугуне весь углерод или значи-
тельная его часть содержится в свободном состоянии — в виде
отдельных включений графита различной формы.
Чугуны с большим количеством прямолинейных крупных гра-
фитовых включений (рис. 25, а) имеют крупнозернистый излом
и низкий предел прочности, а чугуны с мелкими графитовыми
(рис. 25,6) и гнездообразными включениями (рис. 25, в) обла-
дают более высокими механическими свойствами. Графит в
структуре серого чугуна обычно определяют по полированному
шлифу, без травления.
Микроструктуру металлической основы серого чугуна выяв-
ляют и просматривают под микроскопом после травления.
43
Она может состоять только из перлита или перлита и феррита
с мелкими (рис. 26, а) или крупными включениями фосфидной
эвтектики (рис. 26, б).
Содержание графита в чугуне зависит не только от его хи-
мического состава, :но и от скорости охлаждения отливки. Чем
больше кремния и чем медленнее охлаждаются отливки, тем
больше выделяется графита. А такие примеси в чугуне, как сера
и марганец, замедляют выделение графита (графитизацию).
Рис. 26. Структура серого чугуна:
а —с мелкой фосфидной эвтектикой (Х100), б —с крупной фосфидной
эвтектикой (Х100)
Серые чугуны имеют примерно следующий химический со-
став: 3,2—3,6% С; 1,7—3,0% Si; <0,5% Мп; <0,5% Р;
<0,12% S. Серый чугун маркируют по ГОСТ 1412—54. Напри-
мер, у серого чугуна марки СЧ 18-36 буквы СЧ означают серый
чугун, первые цифры указывают на предел прочности при рас-
тяжении, а вторые — на предел прочности при изгибе. Механиче-
ские свойства серого чугуна приведены в табл. 3.
Таблица 3
Механические свойства серого чугуна
(ГОСТ 1412—54)
Марка чугуна Предел прочности (кгс/мм2) при испыта- ниях на Стрела прогиба (лен) при расстоянии между опорами, мм Твердость НВ
разрыв изгиб 600 300
счоо Испытания не производятся
СЧ12-28 12 28 6 2 143—229
СЧ 15-32 15 32 8 2,5 163-229
С 418-36 18 36 8 2,5 170—229
СЧ21-40 21 40 9 3 170-241
СЧ24-44 24 44 9 3 170-241
СЧ28-48 28 48 9 3 170—241
СЧ32-52 32 52 9 3 187—255
С 435-56 35 56 9 3 197—269
СЧ38-60 38 60 9 3 207—269
44
Серый чугун применяют для отливки станин металлорежу-
щих станков, блоков цилиндров, картеров коробок скоростей,
поршневых колец и других деталей. Плавку чугунов обычно ве-
дут в вагранках.
Для повышения механических свойств чугуна и измельчения
в нем пластинчатого графита в литейном производстве широко
используют модифицирование. При этом способе перед разлив-
кой в жидкий металл добавляют специальные присадки — мо-
дификаторы в количестве 0,1—0,4% к весу жидкого металла.
Модификаторы раскисляют чугун
и создают искусственные центры
графитизации. Модификаторами
могут быть силикокальций, фер-
росилиций, алюминий и др.
Ковкий чугун. Название
«ковкий» условное, практически
чугуны iHe куются. Ковкие чугуны
получаются из отливок белого чу^
гуна путем длительного отжига
(томления) при ВЫСОКИХ темпера- Рис. 27. Структура ковкого
турах. В результате длительного чугуна (хЮО)
воздействия температуры цемен-
тит распадается, образуя структуру (рис- 27), состоящую из фер-
рита (белый фон) и углерода отжига (темный фон).
Ковкий чугун обладает повышенной прочностью при растя-
жении, невысокой пластичностью и высоким сопротивлением
удару. По механическим свойствам он занимает промежуточное
положение между сталью и серым чугуном. В зависимости от
способа производства ковкий чугун разделяется на ферритный
(черносердечный) и перлитный (белосердечный). Отливки из
ферритного ковкого чугуна получают отжигом в нейтральной
среде (ящики с отливками засыпают песком). Этот чугун в из-
ломе имеет черную бархатистую сердцевину со светлым обод-
ком. Ферритный ковкий чугун имеет следующий химический со-
став: 1,75—2,3% С; 0,85—1,2% Si; 0,5—0,6% Мп; не более 0,2% Р
и не более 0,12% S. С уменьшением содержания углерода меха-
ническая прочность чугуна возрастает, а литейные свойства
ухудшаются.
Для получения перлитного чугуна отливки из белого чугуна
подвергают обезуглероживающему отжигу в окислительной сре-
де. Этот чугун имеет серебристый излом. Макроструктура его
резко изменяется по сечению: у поверхности отливки ферритная
структура, ближе к центру перлито-ферритная или перлитная
структура с углеродом отжига.
Механические свойства ферритного и перлитного ковких чу-
гунов приведены в табл. 4.
45
Таблица 4
Механические свойства ковкого чугуна
(ГОСТ 1215—59)
Марка чугуна
Предел прочности, Предел текучести,
кгс/мм2, не менее кгс,мм2, не менее
Относительное Тверюс-.ь ИВ,
удтинение, %, | нС более
не менее I
Ферритный ковкий чугун
КЧЗО-6
КЧЗЗ-8
К 435-10
КЧ37-12
163
149
149
149
Перлитный ковкий чугун
КЧ40-3 40
КЧ35-4 35
К Ч30-3 30
3 201
4 201
201
Ковкий чугун получают в камерных и туннельных печах не-
прерывного действия. Для отжига в этих печах отливки из бе-
лого чугуна загружают в специальные горшки из жароупорной
стали и засыпают кварцевым песком. В печах с защитной ат-
мосферой отливки укладывают непосредственно в поддоны.
В настоящее время отжиг отливок на ковкий чугун производят
по ступенчатому циклу. Продолжительность отжига обычно со-
ставляет около 60 час., для ковких чугунов, модифицированных
церием или висмутом, — 32 часа.
Процесс отжига состоит из двух стадий графитизации. Пер-
вая стадия заключается в медленном нагреве отливок до 900—
950° С и выдержке при этой температуре, когда первичный це-
ментит распадается на графит и феррит. Вторая стадия состоит
из выдержки отливок при температуре 740—760° С и распада
цементита, входящего в перлит, на феррит и углерод отжига.
Структура полностью отожженного ковкого чугуна будет содер-
жать зерна феррита и графита.
Перлитный ковкий чугун получают после неполного отжига
(первая стадия графитизации). Для повышения вязкости в пер-
литный чугун иногда добавляют марганец и подвергают его не-
полному отжигу при температуре 650—750° С. При этом струк-
тура чугуна получается с зернистым перлитом.
Из ковкого чугуна изготовляют картер заднего моста, чашки
дифференциала, тормозные колодки, ступицы колес для грузо-
вых автомобилей, муфты, втулки, храповики, полевые диски для
тракторов и т. д.
46
Высокопрочный чугун. В литейном производстве ши-
роко применяют модифицирование чугуна магнием, церием, вис-
мутом для получения в нем графита не в виде пластинок, как в
сером чугуне, а в форме глобулей (сфер). Модифицирование маг-
нием, а затем ферросили-
цием позволяет получить
структуру, состоящую из
перлита, феррита и шаро-
видного графита (рис. 28).
Магниевый чугун облада-
ет прочностью литой ста-
ли и высокими литейными
свойствами. Из магниево-
го чугуна изготовляют де-
тали, подвергаемые уда-
рам, воздействию пере-
менных напряжений и из-
носу, например на Горь-
ковском автомобильном
заводе — коленчатые валы
легкового автомобиля
«Волга», на автозаводе
им. Лихачева — кулачко-
вые валики машины
ЗИЛ-111 и т. д.
/Механические свойства
высокопрочного чугуна
приведены в табл. 5.
Рис. 28. Структура высокопрочного
чугуна (Х250)
Таблица 5
Механические свойства высокопрочного чугуна
(ГОСТ 7293—54)
Марка чугуна Предел проч- ности на раз- рыв Предел текучести Относительное удлинение, % Ударная вяз- кость, кгс м, см2 Твердость НВ
кгс!мм2
ВЧ45-0 45 36 187-225
ВЧ50-1,5 50 38 1,5 1,5 187-225
ВЧ60-2 60 42 2 1,5 197—269
ВЧ45-5 45 33 5 2 170-207
ВЧ40-10 40 30 10 3 156-197
Улучшение механических свойств всех чугунов производится
модифицированием легированных чугунов, т. е. чугунов, имею-
щих в своем составе определенный процент хрома, никеля и ти-
тана.
47
§ 6. СТАЛИ
Сталью называют сплав железа с углеродом, содержащий не
более 2% углерода. Одним из основных показателей стали яв-
ляется прочность. В настоящее время получена сталь прочно-
стью 300—350 kpcImm2 в образцах и 450—500 кгс/мм2 в прово-
лочках (нитевидных кристаллах) или в «усах».
Сталь — пластичный металл. Ее можно ковать, прокатывать
и подвергать термической обработке. Все применяемые в про-
мышленности стали принято разделять на сорта по тем или иным
признакам: по способу производства, химическому составу и на-
значению.
По способу производства сталь разделяет на марте-
новскую (основную и кислую), выплавляемую в мартеновских
печах, бессемеровскую, томасовскую, получаемую в конверто-
рах, и электросталь, выплавляемую в дуговых или высокочастот-
ных электропечах.
В мартеновских печах сталь получается хорошей плотности
и однородности, в больших количествах и невысокой стои-
мости.
Наукой и практикой доказано, что в настоящее время более
экономичен технологический процесс выплавки стали в кислород-
ных конверторах.
В кислородном конверторе получается вполне качественная
сталь, пригодная для всех отраслей машиностроения. Примеси
серы и фосфора в этой стали ниже, чем в мартеновской.
Сера придает стали красноломкость, т. е. большую хруп-
кость при повышенных температурах нагрева металла, а фос-
фор— хладноломкость, т. е. повышенную хрупкость при пони-
женной температуре, особенно при температуре ниже нуля.
Наилучшими качествами обладает электросталь. Она чище
мартеновской как в отношении фосфора, серы и газов, так и в
отношении неметаллических примесей. Из электростали изго-
товляют ответственные детали . машин, режущий инструмент
и т. д.
В практике различают спокойную и кипящую сталь. Сталь
спокойной плавки при разливке в изложницу выделяет мало га-
зов и не кипит. Она полностью раскислена (очищена от закиси
железа) марганцем, кремнием и алюминием, спокойно затвер-
девает, слиток получается плотным с образованием в верхней
части усадочной раковины (см. рис. 19).
Кипящая сталь в процессе заливки кипит, выделяя большое
количество газов. Это объясняется тем, что сталь заливается в
изложницы неполностью раскисленной и при понижении темпе-
ратуры часть углерода вступает в реакцию с оставшейся за-
кисью железа. Окись углерода не успевает выделиться из за-
48
твердевающего металла, оставаясь в нем в виде газовых пузы-
рей.
Кипящая сталь не образует усадочной раковины. Получен-
ные газовые микропоры завариваются в слитке при последую-
щей его прокатке. Кипящая сталь хорошо сваривается и штам-
пуется при обработке листового проката (кузовов легковых ав-
томобилей), но по качеству уступает спокойной стали.
По химическому составу стали делятся на углероди-
стые и легированные.
По назначению стали разделяются на конструкционные,
из которых изготовляют конструкции и детали машин, инстру-
ментальные, применяемые для изготовления режущего и изме-
рительного инструмента и штампов, и стали с особыми физиче-
скими свойствами (нержавеющие, кислотостойкие, магнитные,
жаропрочные и др.), из которых изготовляют детали паровых и
газовых турбин, оборудование 1нефтяной и химической промыш-
ленности и т. д.
Углеродистая сталь. Она делится на конструкционную и ин-
струментальную.
Углеродистая конструкционная сталь может
быть обыкновенного качества (ГОСТ 380—60) и качественной
(ГОСТ 1050—60).
Сталь обыкновенного качества разделяется на сталь группы
А и группы Б. К группе А относится сталь, которая регламенти-
руется только механическими свойствами (табл. 6), данные о
химическом составе не приводятся.
Сталь группы А в основном применяют для деталей, исполь-
зуемых без термической обработки (листов, лент, проволоки
и др.).
Таблица 6
Механические свойства стали обыкновенного качества группы А
(ГОСТ 380—60)
Марка стали Предел прочности на разрыв, кгс1мм% Относительное удлинение, % Предел текучести (кгс/мм2), не менее
для длинного образца для короткого образца
Ст. 0 32 18 22 19
Ст. 1 32-40 28 33 —
Ст. 2 34-42 26 31 22
Ст. Зкп 38-40 23 27 24
Ст. 3 (41—43 22 26 24
144—47 21 25 24
Ст. 4 ( 42—44 21 25 26
Ст. 4кп { 45-48 20 24 26
1 49—52 19 23 26
Ст. 5 ( 50-53 17 21 28
1 54—57 16 20 28
(58-62 15 19 28
4-1134 I чТЙ ЛИЧПРИКПР* 49
Сталь группы Б регламентируется только химическим соста-
вом (табл. 7), перед маркой такой стали при выплавке в марте-
новской печи ставят букву М, например МСт. 1, а при бессеме-
ровском производстве — букву Б, например БСт. 3.
Таблица 7
Химический состав стали обыкновенного качества группы Б, %
(ГОСТ 380—60)
Марка с Мп Si s 1 р
стали не более
МСт. 1 0,07-0,12 0,35—0,50 0,05 0,060 0,070
МСт. 2 0,09—0,15 0,35-0,50 0,07 0,055 0,050
МСт. 3 0,14-0,22 0,40—0,65 0,12—0,30 0,055 0,050
МСт. 4 0,18-0,27 0,40-0,70 0,12-0,30 0,055 0,050
МСт. 5 0,28-0,37 0,50—0,80 0,17-0,35 0,055 0,050
МСт. 6 0,38-0,50 0,50—0,80 0,17-0,35 0,055 0,050
БСт. 3 0,09—0,14 0,25-0,55 0,10-0,35 0,065 0,085
БСт. 4 0,12-0,20 0,35-0,55 0,10-0,35 0,065 0,085
БСт. 5 0,17—0,30 0,50-0,80 0,10-0,35 0,065 0,085
БСт. 6 0,26-0,40 0,60-0,90 0,10—0,35 0,065 0,085
Сталь группы Б применяют для листового проката: швелле-
ров, балок, уголков, труб и т. д.
Качественную углеродистую конструкционную сталь выплав-
ляют в мартеновских и электропечах и разделяют на две груп-
пы: с нормальным содержанием марганца и с повышенным со-
держанием марганца.
Сталь группы I применяют в виде прутков, штанг, поковок,
листов и т. п. В машиностроении из нее изготовляют валы, зуб-
чатые колеса, шпиндели, вилки переключения, болты и т. д. Та-
кие стали маркируют цифрами 05, 08, 08кп. (буквы кп. означа-
ют кипящую сталь), 10, 20, 35 и т. д., показывающими среднее
содержание углерода в сотых долях процента. Химический со-
став углеродистой конструкционной стали группы I приведен в
табл. 8.
Качественные углеродистые конструкционные стали груп-
пы II с содержанием марганца от 0,70 до 1,0% маркируют сле-
дующим образом: 15Г, 20Г, 40Г, 45Г, 50Г, 65Г. Буква Г указыва-
ет на повышенное содержание марганца.
Прокаливаемость марганцевых сталей на большую глубину
после закалки и высокого отпуска позволяет изготовлять из них
детали с высокой прочностью, вязкостью и износостойкостью.
Однако сталь имеет и недостатки — некоторую склонность к пе-
регреву и хрупкость после отпуска.
Автоматная сталь относится к конструкционным углероди-
стым сталям. Она содержит повышенный процент серы (0,08 —
0,20%) и фосфора (0,08—0,15%).
50
Таблица 8
Химический состав качественной углеродистой конструкционной стали
группы I, %
(ГОСТ 1050—60)
Марка стали с Мп Si s 1 р
не С >олее
05кп. 0,06 0,04 0,03 0,040 0,035
08кп. 0,05—0,11 0,25-0,50 0,03 0,040 0,040
10 0,07-0,14 0,35-0,65 0,17-0,37 0,045 0,040
20 0,17—0,24 0,35-0,65 0,17-0,37 0,045 0,040
35 0,32-0,40 0,50-0,80 0,17-0,37 0,045 0,040
45 0,42-0,50 0,50-0,80 0,17—0,37 0,045 0,040
50 0,47-0,55 0,50-0,80 0,17—0,37 0,045 0,040
65 0,62—0,70 0,50-0,80 0,17—0,37 0,045 0,040
Автоматная сталь маркируется буквой А и цифрами, которые
указывают на содержание углерода в сотых долях процента, на-
пример сталь марки А12, А20 и т. д.
Автоматную сталь применяют для изготовления болтов, гаек
с мелкой резьбой и винтов на станках-автоматах. Сталь облада-
ет хорошей обрабатываемостью. Детали из автоматной стали
обычно подвергаются химико-термической обработке — жидкост-
ному или газовому цианированию.
Углеродистая инструментальная сталь делится
на качественную марок У7, У8 и т. д. и высококачественную с
повышенным содержанием кремния и пониженным содержанием
серы и фосфора.
Химический состав высококачественной углеродистой инстру-
ментальной стали приведен в табл. 9. Буква У в марках стали
означает углеродистую, а число, стоящее за буквой, указывает
на содержание углерода в десятых долях процента.
Таблица 9
Химический состав высококачественной углеродистой инструментальной
стали, %
(ГОСТ 1435—54)
Марка стали с Мп Si s 1 1 р
не б( злее
У7А 0,65-0,74 0,15-0,30 0,15-0,30 0,020 0,030
У8А 0,75-0,84 0,15-0,30 0,15-0,30 0,020 0,030
У8ГА 0,80-0,90 0,35—0,60 0,15-0,30 0,020 0,030
У9А 0,85-0,94 0,15-0,30 0,15-0,30 0,020 0,030
У10А 0,95—1,04 0,15—0,30 0,15-0,30 0,020 0,030
У11А 1,05-1,14 0,15-0,30 0,15-0,30 0,020 0,030
У12А 1,15-1,24 0,15-0,30 0,15-0,30 0,020 0,030
У13А 1,25-1,35 0,15-0,30 0,15—0,30 0,020 0,030
4* 51
Особенностью углеродистой инструментальной стали являет-
ся ее небольшая прокаливаемость.
Инструменты — зубила, клейма, молотки и т. д., — подвер-
гаемые в работе ударам, изготовляются из стали У7, У7А, У8 и
У8А. Высокоуглеродистые стали У9, У9А, У10А, У12, У12А при-
меняют для режущих инструментов — сверл, метчиков, фрез,
разверток и т. д.
Легированная сталь. Легированной называют сталь, содержа-
щую один или несколько легирующих элементов в различных
комбинациях и количествах, изменяющих свойства этой стали и
условия ее термической обработки. К легирующим элементам
относятся хром, никель, титан, вольфрам, молибден, ванадий
и др. Кроме того, легирующими элементами могут быть кремний
и марганец, если кремния в стали содержится не менее 0,8%, а
марганца — более 1%.
Основной целью легирования стали является увеличение ее
прокаливаемости. Чтобы получить необходимую для данного се-
чения и условий охлаждения сквозную или наибольшую прока-
ливаемость, легирование стали должно быть минимальным. Вы-
сокие механические свойства сталь получает после соответству-
ющей термической обработки.
Влияние легирующих элементов. Легирующие элементы по-
разному влияют на свойства стали. Поэтому их вводят в сталь
в количествах, при которых наиболее полно проявляется положи-
тельное действие каждого элемента. Опыт показал, что наибо-
лее сильное воздействие на улучшение прочностных свойств ста-
ли оказывают определенные сочетания легирующих элементов.
Углерод — наиболее сильнодействующий элемент, содержа-
щийся во всех марках стали. С увеличением содержания угле-
рода значительно повышается твердость и понижается пластич-
ность стали.
При малом содержании углерода сталь обладает низкой
прочностью, высокими пластичностью, свариваемостью и дефор-
мацией в холодном состоянии (штампуется). При содержании
углерода более 0,3% сталь хорошо закаливается.
Хром — сильный карбидообразующий элемент, способствую-
щий уменьшению зерна в стали при нагреве и повышающий
твердость, прочность и прокаливаемость. Добавки хрома в ко-
личестве 5% и выше значительно увеличивают коррозийную и
кислотную стойкость. При содержании хрома более 12% сталь
становится нержавеющей и жаростойкой.
Никель находится в твердом растворе с ферритом. Он повы-
шает не только прочность стали, но и ее вязкость и пластичность
даже при пониженных температурах. При нагреве никель про-
тиводействует росту зерен и увеличивает прокаливаемость стали.
При содержании 24—26°/о никеля сталь становится немагнитной
и коррозийностойкой.
52
Молибден добавляют в сталь в количестве 0,2—0,5%. Он по-
вышает прочность, твердость, прокаливаемость и противодейст-
вует росту зерен при 1нагреве стали под ковку и термическую
обработку. Молибден способствует увеличению жаростойкости
и уменьшению склонности стали к хрупкости после отпуска.
Ванадий препятствует росту зерен аустенита, повышает твер-
дость, пластичность и вязкость и является хорошим раскисли-
телем стали. Ванадиевая сталь мало склонна к перегреву и при
термической и химико-термической обработке ее можно нагре-
вать в широком интервале температур.
Вольфрам образует стойкие карбиды, растворяющиеся в
аустените лишь при высоких температурах. Инструментальные
быстрорежущие стали, содержащие до 18% вольфрама, после
термической обработки обладают высокими твердостью, изпосо’
и красностойкостью, т. е. способностью сохранять твердость при
нагреве до 700° С.
Титан — самый сильный карбидообразующий элемент. В кон-
струкционные стали его вводят в небольших количествах (0,05—
0,15%). Он влияет на измельчение зерен при нагреве стали и
улучшает ее механические свойства.
Марганец увеличивает прочность, твердость и прокаливае-
мость стали. С повышенным содержанием марганца сталь при
термической обработке незначительно деформируется. С увели-
чением содержания углерода пластичность и вязкость стали сни-
жаются. В отличие от других легирующих элементов марганец
способствует быстрому росту зерен при перегреве.
Кремний находится в твердом растворе с феррите м и значи-
тельно повышает его твердость, прочность и вязкость. С введе-
нием в конструкционную сталь, содержащую 0,4—0,6% углеро-
да, до 2% кремния предел прочности и предел усталости стали
значительно повышаются. Из кремнистой стали широко изго-
товляют автомобильные рессоры и пружины.
Алюминий — один из основных легирующих элементов в ста-
лях, подвергаемых азотированию. Азотируемый слой в сталях об-
ладает высокими твердостью и износостойкостью.
Бор хорошо раскисляет сталь, повышает прокаливаемость и
механические свойства. Наиболее эффективное влияние на ка-
чество стали бор оказывает в небольшом количестве (0,0005—
0,001%).
Маркировка легированных сталей. Легированные
стали маркируют по буквенно-цифровой системе. Легирующие
элементы обозначают русскими буквами, например хром — X,
никель —Н, марганец — Г, молибден — М, вольфрам — В, вана-
дий— ф, алюминий — Ю, кремний — С, кобальт—К, титан — Т,
бор — Р и медь — Д.
Первые цифры в марках стали указывают на содержание
углерода в сотых долях процента, а цифры, стоящие за бук-
53
вой, — на содержание легирующих элементов. Буква А в конце
марки означает сталь с пониженным содержанием вредных при-'
месей — серы и фосфора. Например, сталь 12ХНЗА расшифровы-
вается следующим образом: 0,12% углерода, около 1,0% хрома,
около 3,0% никеля, буква А указывает на минимальное содер-
жание серы и фосфора.
Если содержание легирующего элемента равно или меньше
1%, то цифра после буквы we ставится.
Некоторые легированные стали обозначают буквами, стоя-
щими впереди, например Ш — шарикоподшипниковая, Р — быст-
рорежущая, Е — электротехническая.
Из легированной конструкционной стали из-
готовляют ответственные детали автомобилей, тракторов, метал-
лорежущих станков, сельскохозяйственных машин и т. д.
Химический состав наиболее распространенных легированных
конструкционных сталей приведен в табл. 10.
Таблица 10
Химический состав легированных конструкционных сталей, %
Марка стали С Si Мп Сг Ni Прочие элементы
(ГОСТ 4543-61)
15Х 0,12—0,20 0,17-0,37 0,30-0,60 0,70—1,0 0,40 —
40Х 0,35—0,45 0,17—0,37 0,50-0,80 0,80-1,10 0,40 —
20ХГ 0,15-0,25 0,17-0,37 0,90-1,20 0,90-1,20 0,40 —
40ХГ 0,35—0,45 0,17—0,37 0,90-1,20 0,90—1,20 0,40 —
15ХФ 0,12-0,20 0,17-0,37 0,30-0,60 0,80-1,10 0,40 0,10-0,20 V
50ХФА 0,46-0,54 0,17—0,37 0,50-0,80 0,80—1,10 0,40 0,10-0,20 V
20ХГР 0,17-0,24 0,17-0,37 0,70—1,0 0,80-1,10 0,30 0,002—0,005В
25ХГМ 0,23-0,29 0,17-0,37 0,80—1,10 0,90—1,20 — 0,20—0,30Мо
25ХГТ 0,23-0,29 0,17-0,37 0,80-1,10 0,90-1,20 — 0,06—0,15 Ti
40ХГРТ 0,35-0,45 0,17-0,37 0,70—1,0 0,80-1,10 — 0,002—0,003В
12ХНЗА Не более 0,17 0,17—0,37 0,30-0,60 0,60-0,90 2,75—3,25 —
12Х2Н4А Не более 0,17 0,17—0,37 0,30-0,60 1,25-1,75 3,25—3,75 —
35ХГСА 0,30-0,40 0,10-0,40 0,80-1,10 1,10-1,40 Не более 0,40 —
35ХЮА 0,31-0,39 0,17—0,37 0,30-0,80 1,35—1,65 <0,40 0,70—1,20А1
38ХМЮА 0,35-0,42 0,17-0,37 0,30-0,60 (ГОСТ 801- 1,35-1,65 -60) 0,15-0,25 1 Мо 0,70—1,20А1
18ХНВА 0,14-0,21 0,17-0,37 0,25-0,55 1,35—1,65 4,00—4,5 0,80-1,20
ШХ6 1,05-1,15 0,15—0,35 0,20-0,40 0,40-0,7 Не более 0,30 —
ШХ9 1,00-1,10 0,15-0,35 0,20-0,40 0,90-1,2 0,30 —
ШХ15 0,95—1,10 0,15-0,35 0,20—0,40 1,30-1,65 0,30 —
ШХ15СГ 54 0,95—1,10 0,40-0,65 0,9-1,20 1,30-1,65 0,30 —
Продолжение табл. 10
Марка стали с Si Мп Сг Ni Прочие элементы
(ГОСТ 2052-53)
50С2 0,47-0,55 1,50-2,00 0,60—0,9 Не более 0,40 —
0,30
60С2 0,57-0,65 1,50-2,00 0,60-0,9 0,30 0,40 —
60СГ 0,55-0,65 1,30-1,80 0,80-1,0 0,30 0,40 —
50ХГ 0,46-0,54 0,17-0,37 0,70-1,0 0,90-1,20 0,40 —
-50ХГФА 0,48-0,55 0,17—0,37 0,80-1,10 0,95-1,20 0,40 0,15—0,25V
По сравнению с углеродистыми конструкционными легиро-
ванные конструкционные стали обладают более высокими проч-
ностными свойствами и прокаливаемостью на большую глубину.
Легированная инструментальная сталь по
сравнению с углеродистой инструментальной обладает высоки-
ми сопротивлением и твердостью, а также прокаливаемостью на
•большую глубину.
Химический состав легированной инструментальной стали
приведен в табл. 11.
Таблица И
Химический состав легированной инструментальной стали, %
(ГОСТ 5950—51)
Марка стали с Мп Si Сг W Прочие элементы
В1 1,05—1,25 0,20-0,40 <0,35 0,10-0,30 0,8-1,2 0,25 Ni
X 0,95-1,10 <0,4 <0,35 1,3-1,6 — 0,25 Ni
ХГ 1,30-1,50 0,45-0,70 <0,35 1,3-1,6 — —
ХВГ 0,90-1,05 0,80-1,10 0,15-0,35 0,9-1,2 1,2—1,6 —
9ХС 0,85-0,95 0,30-0,60 1,20—1,60 0,95—1,25 — —
ХВ5 1,25—1,50 <0,30 <0,30 0,4-0,7 4,5—5,5 —
Х12Ф1 1,45—1,70 <0,40 <0,40 11,0-12,5 — 0,7—0,9V
5ХНМ 0,50-0,60 0,50-0,80 <0,35 0,5-0,8 1,4—l,5Ni 0,15—О.ЗОМо
5ХНТ 0,50-0,60 0,50—0,80 <0,35 0,9—1,25 1,4—l,8Ni 0,08—0,15Ti
ЗХ2В8 0,30-0,40 0,20-0,40 <0,35 2,2-2,7 7,5-9,0 0,2—0,5V
Инструмент, изготовляемый из легированной инструменталь-
ной стали, при закалке охлаждают в масле, что препятствует
возникновению трещин. Из стали В1 изготовляют сверла и мет-
чики, из стали X, ХГ и 9ХС— фрезы, сверла, плашки, калибры
и штампы, деформирующие металл в холодном состоянии. Сталь
ХВГ мало деформируется, поэтому из нее изготовляют шпоноч-
ные протяжки, развертки и калибры. Из стали Х6ВФ и Х12Ф1
изготовляют инструменты, которые должны иметь высокую
55
твердость и повышенную износостойкость — накатные плашки,
статоры гидронасосов, гибочные и обрезные штампы и т. д.
Стали 5ХНВ, 5ХНМ, 5ХНТ обладают большой вязкостью и
прокаливаемостью, поэтому их применяют для кузнечных моло-
товых штампов, на которых деформируют металл в горячем со-
стоянии. Сталь ЗХ2В8 весьма прочная и устойчивая против воз-
действия высоких температур, поэтому из нее изготовляют мат-
рицы, пуансоны и пресс-формы для литья под давлением мед-
ных и алюминиевых сплавов.
Быстрорежущие стали по своему химическому соста-
ву являются высоколегированными. Они содержат вольфрам,
хром, ванадий и другие компоненты. Быстрорежущие стали об-
ладают высокими прочностью, твердостью и красностойкостью.
Наиболее распространенной маркой быстрорежущей стали
является Р18, содержащая 0,7—0,8% углерода, 17,5—19,0%
вольфрама, 3,8—4,4% хрома и 1,0—1,4% ванадия. Из такой ста-
ли изготовляют червячные фрезы, развертки, сверла, долбяки,
протяжки и другой инструмент.
В качестве заменителя стали Р18 применяют быстрорежущую
сталь Р9, содержащую 0,85—0,95% углерода, 8,5—10,0% воль-
фрама, 3,8—4,4% хрома и 2,0—2,6% ванадия. Режущие свойства
и красностойкость сталей Р18 и Р9 почти одинаковы. Закалива-
ются стали Р18 и Р9 при температуре 1260—1300° С, при которой
не происходит значительного роста зерен. Сталь Р9 имеет сле-
дующие недостатки: плохую шлифуемость и пониженную стой-
кость инструмента, работающего с ударной нагрузкой.
К сталям с особыми физическими свойства-
м и относятся: нержавеющие, кислото-, окалино- и износостой-
кие, жаропрочные, магнитные, немагнитные электротехнические
и сплавы с высоким электросопротивлением. Химический состав
таких сталей приведен в табл. 12.
Нержавеющие стали марок 1X13, 2X13, 3X13, 4X13 обладают
высокой стойкостью против атмосферной коррозии. Из них изго-
товляют турбинные лопатки, хирургический инструмент, клапа-
ны гидравлических насосов, предметы домашнего обихода и т. д.
Кислотостойкие стали марок Х17, Х25, 1Х18Н9Т, Х18Н12М2Т
и др. имеют высокую коррозийную стойкость против воздействия
различных кислот и не подвергаются межкристаллитной корро-
зии (разъеданию границ между зернами стали). Из этих сталей
изготовляют различную аппаратуру для химической, нефтяной
и пищевой промышленности.
Окалиностойкие стали марок Х25Т, Х9С2, Х12ЮС не дают
окалины при высоких температурах, что достигается благодаря
присутствию в стали хрома, алюминия и кремния, которые в
процессе нагрева образуют плотные тонкие пленки, защищаю-
щие сталь от дальнейшего окисления. Из этой стали изготовляют
тигли, муфели термических печей, защитные чехлы термопар.
56
Таблица 12
Химический состав сталей с особыми физическими свойствами, %
Марка стали С S1 Мп S | Р не более Сг N1 Прочие элементы
Нержавеющая и кислотостойкая сталь (ГОСТ 5632—61)
1X13 <0,15 <0,60 <0,60 0,030 0,035 12,0—14,0 <0,60 —
3X13 0,25-0,34 <0,60 <0,60 0,030 0,035 12,0—14,0 <0,60 —
4X13 0,35—0,45 <0,60 <0,60 0,030 0,035 12,0—14,0 <0,60 —
Х25 0,20 <1,00 0,80 0,030 0,035 23,0-27,0 <0,60 —
1Х18Н9 0,14 0,80 2,00 0,030 0,035 17,0-20,0 8,0—11,0 —
1Х18Н9Т 0,12 0,80 2,00 0,030 0,035 17,0-20,0 8,0-11,0 0,05—0,80Ti
Х18Н12М2Т 0,12 0,80 2,00 0,030 0,035 16,0-19,0 11,0-14,0 2,0—3,0 Мо; 0,3—0,6Т
Окалиностойкая и жаропрочная сталь (ГОСТ 5632—61.)
Х9С2 0,35—0,50 2,0-3,0 0,70 0,030 0,035 8,0-10,0 — —
Х23Н13 0,20 1,00 2,00 0,030 0,035 22,0-25,0 12,0-15,0 —
Х18Н25С2 0,30-0,40 2,0-3,0 1,50 0,025 0,035 17,0-20,0 23,0-26,0 —
Сплавы с высоким электросопротивлением (ГОСТ 9232—59)
Х13Ю4 <0,15 <1,0 <0,70 0,025 0,035 12,0-15,0 I - 3,5 - 5,5А1
Х20Н80 <0,15 0,4-1,3 <0,70 0,025 0,030 20,0-23,0 75,0-78,0 —
Х20Н80Т <0,08 <0,80 <0,50 0,015 0,020 19,0-23,0 (Не мепее75,0 До 0,40 Т1
Сталь для постоянных магнитов
(ГОСТ 6862—54)
ЕХ 0,95-1,10 0,17—0,40 0,20—0,40 0,020 0,030 1,30-1,60 Не более 0,30 —
ЕХЗ 0,90-1,10 0,17-0,40 0,20—0,40 0,020 0,030 2,80-3,60 0,30 —
ЕХ5К5 0,90—1,05 0,17-0,40 0,20-0,40 0,020 0,030 5,50-6,50 0,60 5,50—6,50Со
Жаропрочные стали одновременно сохраняют прочность и
окалиностойкость при высоких температурах. Наиболее распро-
страненными марками таких сталей являются Х23Н18, Х25Н25С2,
Х10С2М, Х18Н12МЗТ. Из них изготовляют детали газовых тур-
бин, реактивные прямоточные двигатели, клапаны автомобиль-
ных моторов, цепные конвейеры термических печей и другие де-
тали, которые могут работать при высоких температурах.
Износостойкие стали обладают большим сопротивлением из-
носу. Наиболее распространенной маркой стали является вы-
сокомарганцевая сталь Г13, содержащая 1,0—1,3% углерода,
12—14% марганца и других примесей. Механической обработке
сталь Г13 не подвергают. Из этой стали изготовляют корпуса
и щеки дробилок, звенья гусениц (траки), козырьки экскаватор-
ных ковшей и землечерпалок, матрицы брикетпрессов и другие
детали, одновременно работающие на удар и износ.
Магнитные стали обладают не только высокой магнитной
проницаемостью, но и высокой коэрцетивной силой. Они плохо
намагничиваются, но сохраняют свои магнитные свойства даже
после удаления намагничивающего поля. Из них изготовляют по-
стоянные магниты. К магнитным сталям относятся следующие
марки: EX, ЕХЗ, Е7В6, ЕХ5К5 и ЕХ9К15М. Особо высокие маг-
нитные свойства после соответствующей термической обработки
имеют стали с добавкой кобальта.
Немагнитные стали используют для изготовления деталей
электрических машин, которые должны обладать высокой проч-
ностью, но быть немагнитными, например бандажных колец тур-
богенераторов. Наиболее распространенной сталью является
сталь Н23, содержащая до 0,3% углерода, 22—23% никеля и
'2,5% хрома.
Электротехнические стали разделяются на динамные и транс-
форматорные. Они легированы кремнием, содержание которого
в динамных сталях Э1, Э2, ЭЗ составляет соответственно око-
ло 1, 2 и 3%, а в трансформаторной стали Э4 — около 4%. Крем-
ний повышает электросопротивление и понижает потери на ин-
дукционные токи Фуко. Углерод ухудшает магнитные свойства,
поэтому его содержание в таких сталях должно быть минималь-
ным. Электротехнические стали обладают большой магнитной
проницаемостью, легко намагничиваются и быстро теряют маг-
нитные свойства. Из динамной стали изготовляют заготовки для
полюсов и других магнитопроводов электромашин, а из транс-
форматорной— заготовки для сердечников трансформаторов.
Сплавы с высоким электросопротивлением марок Х13Ю4,
Х20Н80 и Х20Н80Т в основном состоят из хрома и никеля. Осо-
бенностью таких сплавов является высокая жаростойкость при
значительном удельном электросопротивлении. Благодаря этому
свойству из них изготовляют нагревательные элементы электри-
ческих печей и приборов.
.58
§ 7. ТВЕРДЫЕ СПЛАВЫ
Твердые сплавы разделяются на литые и металлокерамиче-
ские.
Литые твердые сплавы в основном состоят из хрома,
никеля, кобальта и обладают высокими твердостью и износо-
стойкостью. В структурном отношении такие сплавы характе-
ризуются большим количеством карбидов. Сплавы выпускаются
в виде литых прутков и стержней, которые ацетилено-кислород-
ным пламенем наплавляют на поверхность деталей и инструмен-
та, штампов и центров токарных станков, подвергающихся силь-
ному износу.
Основными марками литых сплавов являются сормайт № 1
и № 2, а также стеллит.
Стойкость деталей и инструмента с наплавленными литыми
сплавами в 8—10 раз выше, чем стойкость закаленной легиро-
ванной стали.
Металлокерамические твердые сплавы состоят
из карбидов вольфрама, карбидов титана и кобальта, связы-
вающего эти вещества. Сплавы получают прессованием и после-
дующим спеканием порошковой смеси.
Металлокерамические сплавы применяются для изготовления
пластинок к режущему инструменту — резцам, сверлам, фрезам
и буровому инструменту и т. д.
Металлокерамические твердые сплавы имеют весьма высокую
твердость и не поддаются механической обработке. Поэтому их
изготовляют в виде пластинок
разных размеров и профилей. К
державкам инструмента такие
пластинки обычно припаиваются
медью или латунью.
Красностойкость твердых
сплавов, т. е. способность сохра-
нять структуру и режущие свой-
ства при высокой температуре,
значительно выше, чем красно-
стойкость быстрорежущей стали.
Применение этих сплавов в
машиностроении позволило повы-
сить скорость резания до
2000 мм I мин, что значительно уве-
личило производительность труда
на металлорежущих станках.
Маркируют сплавы следующш
товые обозначают буквами ВК, титановольфрамокобальтовые—
буквами ТК. Цифры, стоящие за буквами, указывают на содер-
жание кобальта в процентах. Сплавы ВК в основном применяют
59
Таблица 13
Химический состав и твердость
металлокерамических твердых
сплавов
Марка сплава Химический Твердость HRC
состав, %
WC | TiC | Со
вкз 97 3 72
ВК6 94 — 6 70
ВК8 92 8 70
ВК12 88 — 12 69
Т5К6 89 5 6 68
Т15К6 79 15 6 72
Т5К10 85 5 10 73
Т21К8 71 21 8 74
образом: вольфрамокобаль-
для обработки материалов с хрупкой сыпучей стружкой (чугу-
ны), а сплавы ТК — для обработки различных сталей и сплавов.
Химический состав и твердость металлокерамических сплавов
приведены в табл. 13.
§ 8. ЦВЕТНЫЕ МЕТАЛЛЫ И СПЛАВЫ
Цветные металлы. К цветным металлам, наиболее широко
применяемым в технике, относятся медь, алюминий, олово, сви-
нец, цинк, магний, титан и их сплавы. В чистом виде цветные
металлы используют редко, в основном их применяют в виде
сплавов.
Цветные металлы — это наиболее дорогой и ценный техни-
ческий материал.
Легирующие элементы, входящие в состав цветных металлов,
и сплавов, обозначают заглавными буквами русского алфавита,,
например алюминий — А, бериллий — Б, железо — Ж, крем-
ний — К, медь — М и т. д.
Медь. Она имеет характерный красноватый цвет, в приро-
де встречается в виде сернистых соединений, в окислах и очень
редко в чистом виде. Медь маркируют буквой М. В зависимости
от чистоты меди (ГОСТ 858—41) установлено пять марок: МО,.
Ml, М2, М3, М4. Самая чистая медь — марки МО содержит
99,95% меди и 0,05% примесей. Благодаря высокой пластично-
сти медь хорошо обрабатывается давлением в холодном и горя-
чем состоянии. Она обладает хорошей электропроводностью. Из
нее изготовляют проводники электрического тока — провода и
кабели.
Физические свойства меди и других ниже рассматриваемых
цветных металлов приведены в табл. 1.
Олово. Олово очень мягкий металл серебристо-белого цве-
та с желтоватым оттенком. Оно разделяется на шесть марок
(ГОСТ 860—41): ОВЧ-ООО, О1ПЧ, 01, 02, 03, 04. Самое чистое
олово — марки ОВЧ-ООО, содержащее 99,999% олова и 0,001%
примесей.
Олово в чистом виде применяют для лужения жести.
Цинк. Цинк — это хрупкий металл белого цвета с голубо-
ватым оттенком. В зависимости от химического состава установ-
лены шесть марок цинка (ГОСТ 3640—47): ЦВ (99,99% цинка)г
ЦО, Ц1, Ц2, ЦЗ, Ц4 (99,50% цинка). Цинк используют для по-
крытия изделий (цинкование), чтобы предохранить их от атмос-
ферной коррозии.
Свинец. Это мягкий металл синевато-серого цвета, быстро
тускнеющий на воздухе. ГОСТ 3778—56 устанавливает шесть
марок свинца: СО (99,992% свинца), Cl, С2, СЗ, СЗСу, С4
(99,60% свинца). Свинец хорошо отливается и прокатывается.
60
Из него изготовляют различную химическую аппаратуру, трубы
для перекачки кислот, для производства аккумуляторов и т. д.
Свинец — очень хорошая защита от рентгеновских лучей.
Алюминий. Алюминий — мягкий металл белого цвета. Он
добывается путем электролиза из алюминиевой руды — бокси-
тов и хорошо поддается прокатке и ковке. Особенностями алю-
миния являются легкость, хорошая электропроводность (60%
электропроводности меди) и высокая коррозийная стойкость.
По ГОСТ 3549—55 алюминий выпускается нескольких марок.
Самой высокой по чистоте является марка AB0000, содержащая
99,996% алюминия. Из алюминия изготовляют провода, кабели,
змеевики (испарители) в холодильниках и т. д. Окислы алюми-
ния безвредны.
Магний. Магний — самый легкий металл из всех применя-
емых в технике (удельный вес его 1,74). Он легко воспламеняет-
ся и при его горении возникает высокая температура. Наиболее
опасны в этом отношении порошок, тонкая лента, мелкая струж-
ка и т. п. Механические свойства магния низкие, поэтому он на-
ходит ограниченное применение в технике. В литейном деле из
магния выплавляют высокопрочный магниевый чугун. Чаще
всего магний используют в виде сплавов с алюминием, цинком.
ГОСТ 804—62 устанавливает две марки магния: Mgl (99,92%
магния) и Mg2 (99,85% магния).
Титан. Это металл серебристо-белого цвета, тугоплавкий
(плавится при 1725° С) и легкий, стойкий на воздухе и даже в
атмосфере морского климата.
По распространенности титан занимает четвертое место среди
конструкционных металлов, уступая лишь алюминию, железу
и магнию. Прочность его вдвое больше, чем у железа, и почти
в шесть раз больше, чем у алюминия. Ценными свойствами тита-
на являются его высокие химическая и коррозийная стойкость.
Титан обладает высокой пластичностью. Он хорошо куется,
легко прокатывается в листы, ленты и даже в фольгу.
Наибольшее применение титан находит в виде сплавов для
изготовления лопастей газовых турбин и производства жаро-
прочных сталей.
Медные сплавы. Важнейшими сплавами на основе меди яв-
ляются латунь и бронза.
Латунь —это сплав меди с цинком. Кроме цинка, латунь
•содержит и другие элементы, но в меньшем, чем цинк, количе-
стве. Латунь маркируют буквой Л, за которой стоят цифры, ука-
зывающие на содержание меди, например латунь марки Л80
•состоит из 80% меди и 20% цинка. Если в латунь вводится 1%
свинца, то она будет обозначаться ЛС59-1 и содержать 59% ме-
ди, 40% цинка и 1% свинца.
Латуни обладают высокой коррозийной стойкостью, плас-
тичностью, легко поддаются прокатке, ковке и вытяжке.
61
В технике находят применение латуни, содержащие от 10 до 42%
цинка.
В зависимости от назначения латуни могут быть обрабаты-
ваемыми давлением, литейными и специальными. Химический
состав некоторых марок латуней приведен в табл. 14.
Таблица 14
Химический состав латуней, %
(ГОСТ 1019—47)
Наименование Марка латуни Си РЬ Al 1 Zn 1 Sn = 5 С S
Латуни, обрабатываемые давлением
Томпак .... | Л96 195,0—97,01 0,03 | —
Латунь ... .1 Л68 [67,0—70,0| 0,03 | —
0,017
0,11
Литейные латуни
Железисто-алю-
миниевая латунь
Кремнисто-свин-
цовистая латунь
ЛАЖ60-1- 58,0—61,0 — 0,75—1,5
1Л
ЛКС80-3-3 79,0-81.0 2,0-4,0 2,5—4,5Si
0,2—0,7 0,70
2,0
Специальные латуни
О
Алюминиево- ни-
келевая латунь . .
।
ЛАН59-3-2|57,0-60,0
2,55—
3,50
2,0-3,00,9N
• Латуни, обрабатываемые давлением, используют для радиа-
торных трубок, прокладок, труб и т. д. Из литейных латуней из-
готовляют червячные винты, зубчатые колеса, подшипники и т. д.
Специальные латуни, обладающие более высокими механиче-
скими свойствами, чем литейные латуни, применяют для изго-
товления химически стойких деталей, конденсаторных трубок и
водяной арматуры. Латунные изделия, получаемые холодной
обработкой (наклеп), для смягчения и пластичности подверга-
ют отжигу рекристаллизации на 350—450° С.
Бронза — это сплав меди с оловом, свинцом, алюминием
и другими элементами. Название бронзы зависит от второго
компонента. Важнейшими из бронз являются оловянистые, свин-
цовистые, алюминиевые и кремнистые.
Бронзы маркируют следующим образом: сначала пишут бук-
вы Бр., означающие бронзу, затем буквы, показывающие, какие
элементы введены в бронзу, и далее цифры, указывающие на со-
держание этих элементов в процентах. Например, бронза марки
Бр.ОЦС6-6-3 означает, что в ней содержится 6% олова, 6% цин-
ка, 3% свинца и остальные (85%) медь.
62
Оловянистые бронзы обладают хорошими литейными свой-
ствами, коррозийной стойкостью и высокими антифрикционны-
ми свойствами, т. е. хорошо сопротивляются износу и трению.
Оловянистые бронзы в основном применяют для деталей, рабо-
тающих на трение, — подшипников скольжения, червячных ко-
лес и т. п. Химический состав оловянистых бронз приведен в
табл. 15.
Таблица 15
Химический состав оловянистых бронз, %
Марка бронзы Основные компоненты Примеси
Sn Р Zn Pb Си Fe Pb
Бронзы, обрабатываемые давлением (ГОСТ 5017—49)
Бр.ОФ6,5-0,15
Бр.ОЦС4-4-2,5
Литейные бронзы (ГОСТ 613—50)
Бр.ОЦСС-6-3
Бр. ОЦСНЗ-7-5-1
5—7
2,5 —
4,5
5,5-6,8
6,5-7,5
4,6-5,4
Олово — дорогой металл, поэтому в основном применяют
бронзы, в которых олово заменяют алюминием, кремнием, мар-
ганцем и другими элементами.
Алюминиевые бронзы содержат до 10% алюминия. Они об-
ладают прочностью, высокими антифрикционными и технологи-
ческими свойствами, устойчивостью в атмосферных условиях и
морской воде. Введение в алюминиевую бронзу железа, марган-
ца и други?: элементов еще больше повышает ее механические
свойства. Химический состав специальных бронз, например Бр.
АЖН10-4-4, следующий: алюминия — 9,5—11,0%; марганца 3,5—
5,5%; железа — 3,5—5,5%; остальное — медь.
Алюминиевые бронзы применяют как антифрикционный ма-
териал, изготовляя из них подшипники, втулки, червячные ко-
леса и т. д.
Кремнистые бронзы содержат 2—3% кремния. Они обладают
высокими литейными свойствами и коррозийной стойкостью. Из
таких бронз изготовляют пружинящие детали, проволоку, ленту
и т. д.
Никелевые бронзы обладают высокой вязкостью и кислото-
стойкостью, сохраняют механические свойства даже при повы-
шенных температурах.
63
Бериллиевые бронзы (2% бериллия) обладают исключитель-
но высокими свойствами — хорошо упрочняются термической
обработкой, имеют предел прочности аь = 130—150 кгс1мм2 и
твердость НВ 370—400. Бериллиевые бронзы применяют, на-
пример, для изготовления ударного инструмента, зубил, молот-
ков, не дающих при ударе искр. Пружины из бериллиевой брон-
зы выдерживают до 25 млн. колебаний, в то время как сталь-
ные закаленные пружины в таких же условиях разрушаются пос-
ле 3 млн. колебаний.
Алюминиевые сплавы. Они получаются добавкой к алюминию
меди, цинка, магния, кремния, марганца и других компонентов.
Такие сплавы имеют небольшой удельный вес и высокие меха-
нические свойства.
Алюминиевые сплавы разделяются на деформируемые и ли-
тейные.
Деформируемые сплавы, упрочняемые термической
обработкой, могут быть следующих марок: АК6, АК8, АК2, АК4.
Они обладают высокой прочностью и пластичностью, поэтому из
них изготовляют полуфабрикаты ковкой, прокаткой и прессова-
нием. Сплавы АК2 и АК4 содержат никель и являются жаро-
прочными. Они применяются после термической обработки для
изготовления поршней, головок цилиндров, работающих при по-
вышенных температурах.
К деформируемым алюминиевым сплавам, упрочняемым тер-
мической обработкой, относится также дюралюминий марок
Д1, Д6, Д16, Д18. Дюралюминий выпускается в виде листов,
прессованных и катаных профилей, прутков и штамповок. Сплав
Д18 применяют для заклепок, так как он может расклепываться
в любое время после старения.
Для повышенной коррозийной стойкости дюралюминий по-
крывается (плакируется) чистым алюминием. Плакированием
называют горячую прокатку слитков дюралюминия вместе с ли-
стами чистого алюминия.
Химический состав деформируемых алюминиевых сплавов
приведен в табл, 16.
Сплавы АМц и АМг термическому упрочнению не подверга-
ют. Из них изготовляют трубопроводы и сварные масляные ре-
зервуары.
Литейные алюминиевые сплавы почти не стареют
естественно. Их прочностные свойства повышаются искусствен-
ным старением.
Из литейных сплавов наибольшее распространение получили
силумины — сплавы алюминия с кремнием.
Силумины обладают высокими механическими свойствами и
большой жидкотекучестью, позволяющей отливать сложные и
тонкостенные детали. Химический состав некоторых марок алю-
миниевых литейных сплавов дан в табл. 17.
64
Таблица 16
Химический состав деформируемых алюминиевых сплавов, %
(ГОСТ 4784—49)
Марка сплава Основные компоненты Прочие компоненты Al
Mg Si Мп Си
АМц 1,0-1,6
АМг 2,0—2,8 0,15-0,40 — —
Д1 0,4-0,8 — 0,4-0,8 3,8-4,8 — о
Д6 0,65—1,0 — 0,5-1,0 4,6-5,2 — л ч
Д16 1,2-1,8 — 0,3-0,9 3,8-4,9 — СО
Д18 0,2-0,5 — — 2,2-3,0 — Q
АК4 1,4-1,8 0,5-1,2 — 1,9-2,5 1,0-1,5 Ni 1,1 —1,6 Fe
АК8 0,4-0,8 0,6—1,2 0,4-1,0 3,9—4,8 —
Таблица 17
Химический состав алюминиевых
литейных сплавов, %
(ГОСТ 2685—53)
Марка сплава Основные компоненты Прочие компоненты А1
Mg Si Мп Си
АЛ2 - 10,0-13,0 Л
АЛЗ 0,2—0,8 4,0-6,0 0,2—0,8 1,5-3,5 — 4 0) СО
АЛ4 0,17—0,30 8,0-10,5 0,25-0.5 — — о
АЛ5 0,35-0,60 4,5-5,5 — 1,0-1,5 — о
АЛ9 0,2-0,4 6,0-8,0 — — — О
Магниевые сплавы. Подобно алюминиевым магниевые сплавы
подразделяются на деформируемые и литейные. Прочность и
пластичность магниевых сплавов ниже, чем у алюминиевых.
Удельный вес магниевых сплавов—1,74. Характерной особен-
ностью термообработки магниевых сплавов является длитель-
ная выдержка их при закалке и отпуске. Деформируемые магние-
вые сплавы марок MAI, МА2, МА5, МА8 применяют для изго-
товления высоконагруженных деталей самолетов, а литейные
сплавы марок МЛ2, МЛЗ, МЛ4, МЛ5 — для изготовления дета-
лей двигателей, корпусов приборов, колодок колесных тормозов
автомобилей и корпусов фотокамер. Химический состав магние-
вых сплавов приведен в табл. 18.
5-1134 65
Таблица 18
Химический состав магниевых сплавов
Марка сплава Основные компоненты
А1 Zn Мп Si Mg
МЛ1 Литейные сг 1лавы (ГОСТ 2856—55) 1,0-1,5
МЛ2 — — 1,0-2,0 —
МЛЗ 2,5-3,5 0,5-1,5 0,15-0,5 — о
МЛ4 5,0-7,0 2,0-3,0 0,15-0,5 —
МЛ6 9,0—10,2 0,6-1,2 0,1-0,5 — а л ь
Деформируемые сплавы (АМТУ 371—56 ) О
МА2 3,0-4,0 0,2-0,8 0,15-0,5 —
МАЗ 5,5-7,0 0,5-1,5 0,15-0,5 —
МА4 6,5-8,0 2,5-3,5 0,15 0,5 —
МА5 7,8-9,2 0,2-0,3 0,15—0,5 —
Антифрикционные (подшипниковые) сплавы. Антифрикцион-
ными называют сплавы, из которых изготовляют подшипники и
трущиеся детали, применяя для этого баббиты, бронзы, анти-
фрикционные чугуны, цинковые сплавы и другие материалы,
предохраняющие трущиеся детали, например валы, от износа
и создающие необходимые условия для смазки.
Наибольшее применение для изготовления подшипников на-
ходят оловянистые бронзы Бр.ОЦС4-4-2,5 и Бр.ОФ6,5-0,15, об-
ладающие низким коэффициентом трения.
В целях экономии дорогостоящих оловянистых бронз для
изготовления втулок, заливки вкладышей и подшипников ис-
пользуют цинковые сплавы ЦАМ10-5 и ЦАМЭ-1,5. По ГОСТ
7117 — 54 сплав ЦАМ10-5 содержит 9,0—12°/о алюминия,
4,0—5,5% меди, 0.03—0.06% магния и остальное — цинк.
В качестве антифрикционных сплавов для подшипников мож-
но применять и пористые металлокерамические материалы на
основе железомеднографитовых порошковых смесей (1,0—1,5%
меди, 0,9—1,1% графита и остальное — железо).
Обычно из этих сплавов изготовляют втулки и вкладыши
прессованием порошковых смесей и последующим спеканием
при температуре 1100—1150° С. Такие втулки имеют от 15 до
30% тончайших, соединенных между собой пор. После пропитки
машинным маслом втулки становятся самосмазывающимися.
Они применяются в текстильных хлопкоуборочных и швейных
машинах, в которых смазка подшипников невозможна из-за за-
грязнения тканей, хлопка и т. п.
66
Большую группу подшипниковых сплавов составляют баб-
биты. Они обладают высокой пластичностью, хорошей прираба-
тываемостью и низким коэффициентом трения. Высокие анти-
фрикционные свойства их связаны с особой структурой — твер-
дыми кристалликами в мягкой основе.
Баббиты маркируют следующим образом (ГОСТ 1320—55):
Б89, Б83 и т. д. Буква Б указывает на название сплава, а циф-
ра — на среднее содержание в нем олова. Химический состав
баббитов и их назначение приведены в табл. 19.
Таблица 19
Химический состав (%) и назначение баббитов
(ГОСТ 1320—55)
Марка сплава Sb Си Cd Sn Pb Прочие эле- менты Назначение
Б83 10—12 5,5 —6,5 — Осталь- ное <D — Для турбин, турбоком- прессоров и т. д.
Б16 15-17 1,5-2,0 — 15-17 О — Для электродвигателей и прокатных станов
С0С6-6 5,5—6,5 0,3 — 5,5-6,5 О — Для вкладышей под- шипников автомобилей
Свинцовый баббит С0С6-6 имеет высокие эксплуатационные
качества и в настоящее время является основным материалом,
из которого изготовляют подшипники для двигателей легковых
и грузовых автомобилей.
Для деталей, работающих с повышенным удельным давлени-
ем, например рессорных втулок автомобилей, часто применяют
антифрикционный ковкий чугун. Отожженный ковкий чугун
обычно состоит из 2,5—2,75% углерода; 1,0—1,2% кремния,
0.45—0,55% марганца; 0,06% хрома; 0,12—0,17% фосфора и
0J5—0,17% серы.
§ 9. КОРРОЗИЯ МЕТАЛЛОВ И АНТИКОРРОЗИЙНЫЕ ПОКРЫТИЯ
Общие сведения. Разрушение металла под действием окру-
жающей среды называют коррозией. Коррозия —страшный
враг металла. Большое количество металла, машин, мостов и
конструкций систематически разрушается из-за коррозии. На-
пример, потери железа от коррозии составляют около 10% еже-
годной выплавки. Наибольшие потери металла происходят из-
за атмосферной коррозии — от действия дождя, снега и тумана.
Отходы промышленных газов и дыма в атмосфере ускоряют кор-
розийный процесс.
67
Различают два вида коррозии — химическую и электрохими-
ческую. В основе химической коррозии лежит реакция меж-
ду металлом и веществами внешней среды, в процессе которой
электрический ток не возникает. Химическая коррозия возникает
при действии на металл сухого газа, бензина и масла, а также
при окислении металлов во время нагрева в термических печах.
Скорость разрушения металла от химической коррозии зависит
от степени сродства металла с кислородом и свойства окисных
пленок. Пленка окислов различных металлов различна. У же-
леза, например, она непрочная, плотность ее легко нарушается,
и железо ржавеет. У таких металлов, как алюминий, хром, окис-
ные пленки прочны, плотно прилегают к поверхности и тем са-
мым надежно защищают металл от дальнейших разрушений.
Если химическая коррозия разрушает металл не только с
поверхности, но и между кристаллитными зернами, проникая в
глубь металла, то такую коррозию называют межкристаллитной.
Электрохимическая коррозия — распространен-
ный вид коррозии. Она возникает при действии на металл элек-
тролитов — водяных растворов солей, щелочей, кислот и других
жидкостей, проводящих ток. Происходящий процесс напоминает
действие гальванического элемента. Большинство металлических
конструкций — мосты, крыши зданий, машины и т. п., находясь
в соприкосновении с влажным воздухом, постоянно покрываются
тонким слоем воды. В воздухе, особенно в промышленных райо-
нах, всегда содержатся сернистые газы, которые, осаждаясь на
металле, соприкасаются с водяными парами и образуют слабые
электролиты, вызывающие электрохимическую коррозию метал-
ла. Зазоры, трещины, царапины на металле ускоряют процесс
коррозии.
Меры борьбы с коррозией. Для защиты и предохранения
металла, металлических конструкций и деталей машин от корро-
зии применяют защитные антикоррозийные покрытия.
Основными способами защиты от коррозии являются леги-
рование, оксидирование, фосфатирование, нанесение металличе-
ских и лакокрасочных покрытий и смазка.
Защита от коррозии легированием состоит в том, что
один металл легируется другим, более коррозийностойким. На-
пример, стойкость стали повышается добавкой к ней хрома или
никеля, т. е. созданием нержавеющей стали.
Оксидирование заключается в том, что на поверхность
алюминиевых деталей наносятся плотные оксидные пленки оки-
си алюминия.
Применяют два вида оксидирования: химическое и анодное.
При химическом оксидировании на поверхности алюминия обра-
зуется окисная пленка в результате воздействия химического
раствора, в который погружают оксидируемые детали. Процесс
анодного оксидирования заключается в том, что на поверхности
68
алюминиевых деталей, подвешенных в электролитной ванне и
служащих анодом, под действием электролитически выделяю-
щегося кислорода возникает тонкая пленка окиси алюминия.
Для придания деталям из алюминиевых сплавов декоративного
вида специальной окраски — золотой, черной, красной и др.,
эти детали после анодирования покрывают анилиновыми крас-
ками.
Оксидирование стальных деталей, иногда называемое
воронением, относится к старым методам защиты металла
от коррозии. При воронении на поверхности железа создается
плотная окисная пленка. В основе воронения лежит реакция
взаимодействия железа с какой-нибудь щелочью. Вороненые,
детали имеют иссиня-черный цвет.
Фосфатирование состоит в покрытии стальных деталей
пленкой из нерастворимых фосфорнокислых солей железа и
марганца. Пленка, содержащая большое количество мельчай-
ших пор, которые хорошо задерживают такие наполнители, как
минеральное масло и краски, плотно сращивается с основным
металлом.
Фосфатирование — надежный способ предохранения металла
от коррозии. Его также применяют для создания грунта под
лакокрасочные покрытия. На Горьковском автозаводе фосфати-
рованию подвергают кузовы автомашины «Волга» для создания
грунта под окраску.
Металлические покрытия наносят тремя способами:
1) погружением деталей в расплавленный защищающий ме-
талл. Так осуществляется покрытие цинком (цинкование), оло-
вом (лужение) и алюминием (алитирование);
2) гальваническим покрытием. При таком способе детали,
используемые в качестве катода, погружают в ванну с электро-
литом, из которого под действием электрического тока выделяет-
ся металл, осаждаясь в виде тонкого слоя на детали. Гальвани-
ческие покрытия производятся при цинковании, кадмировании,
хромировании, «никелировании, золочении и т. д.;
3) распылением (шоопированием), заключающимся в нане-
сении на поверхность детали расплавленного металла при помо-
щи специального аппарата — металлизатора. Такой способ наи-
более часто применяют для алитирования.
Лакокрасочные покрытия — это способ, при кото-
ром металлические детали, машины, мосты и крыши зданий по-
крывают масляными красками, эмалями, лаками и раствора-
ми смол. Металл можно также защищать нанесением покрытий
из разнообразных термопластических материалов путем распы-
ления.
Среди защитных покрытий особое место занимает смазка
маслами и жирами. Особенность смазки состоит в том, что ее
69
легко и без всяких повреждений удаляют с поверхности деталей.
Для продолжительной защиты применяют вазелин, пушечную
смазку, а для временной защиты — жидкие масла.
§ 10. НЕМЕТАЛЛИЧЕСКИЕ МАТЕРИАЛЫ
Пластмассы. Большую группу конструкционных материалов
со сложной химической структурой называют пластмассами. Они
состоят из связующих веществ и наполнителей. Связующими ве-
ществами могут быть искусственные (синтетические) смолы, а
наполнителями — дерево, хлопчатобумажные ткани, очесы, ас-
бестовое и стеклянное волокно и т. д. Искусственные смолы де-
лятся на термореактивные, которые при определенных темпера-
турах превращаются в неплавкие и нерастворимые, и термопла-
стические, не теряющие способности размягчаться и растворять-
ся после многократного нагревания.
В состав пластмасс могут также входить красители, пла-
стификаторы и другие вещества. Такие пластмассы .называют
сложными, или композиционными.
Изделия из пластмасс получают горячим прессованием,
литьем под давлением или механической обработкой.
Слоистые пластмассы. К ним относятся текстолит,
гетинакс, стеклотекстолит и т. д.
Текстолит представляет собой спрессованную хлопчатобу-
мажную ткань (бязь, шифон и др.), пропитанную смолой. Он
обладает высокими фрикционными свойствами и механической
прочностью. Текстолит выпускается в виде листов, плит, труб
и фасонных изделий. Из него изготовляют более 200 различных
деталей, например бесшумные зубчатые колеса, втулки, вклады-
ши подшипников и т. д.
Гетинакс — это спрессованные и пропитанные смолой бумаж-
ные листы. Он обладает высокой прочностью, низкой электро-
проводностью и применяется для изготовления электроизоли-
рующих деталей (панелей и токораспределительных
устройств).
Фибра представляет собой материал, получаемый пропиткой
тряпичной бумажной массы раствором хлористого цинка с по-
следующим прессованием. Из нее изготовляют прокладочные и
электроизоляционные изделия, чемоданы и т. п. Фибра хорошо
впитывает влагу и бензин, что вызывает ее .набухание, а при
высыхании — коробление.
К слоистым пластмассам относятся также древесные пласти-
ки, которые получают из березового шпона (однослойной фане-
ры), пропитанного смолами. Изделия из древесных пластиков
недороги, обладают высокими механическими свойствами и при-
меняются для изготовления вкладышей подшипников, втулок,
зубчатых колес и т. п.
70
Пластмассы на основе синтетических смол.
К ним относятся плексиглас (органическое стекло), целлулоид
и т- д.
Плексиглас представляет собой продукт полимеризации ме-
тилового эфира метакриловой кислоты с небольшими добавками
пластификатора. Он выпускается в виде прозрачных листов, из
которых штампуют изделия любой формы. Плексиглас хорошо
обрабатывается режущим инструментом и применяется в само-
летостроении, оптической промышленности, приборо- и судо-
строении.
Целлулоид представляет собой твердый раствор нитроцеллю-
лозы в камфоре. Он изготовляется в виде полированных листов
путем вальцовки на горячих вальцах пастообразной массы, со-
стоящей из целлюлозы, камфоры, спирта и других компонентов.
При использовании различных красителей можно получать
целлулоид любого цвета. Из-за легкой воспламеняемости целлу-
лоид в основном применяют для изготовления счетных линеек,
чертежного инструмента и в галантерейном производстве.
За последнее время в промышленности получили большое
распространение такие материалы, как полиэтилен, фторопла-
сты и полиамиды.
Полиэтилен имеет высокие химическую стойкость и электро
изоляционные свойства. Из него изготовляют изоляцию прово-
дов, кабели и радиоаппаратуру.
Фторопласты по химической стойкости превосходят даже зо-
лото и платину. Например, фторопласт-4 не растворяется, не на-
бухает и не окисляется ни в каких растворителях, кислотах и
щелочах.
Полиамиды обладают высокой механической прочностью и
эластичностью и применяются в виде искусственных волокон.
Абразивные материалы. Абразивы — это твердые кристалли-
ческие зернистые или порошкообразные материалы, применяе-
мые для заточки инструмента, шлифования деталей и т. д.
Различают естественные и искусственные абразивные мате-
риалы. К естественным относятся алмаз, песчаник, корунд, наж-
дак и т. д., а к искусственным — электрокорунд, карборунд, кар-
бид бора и т. д.
Алмаз — самый твердый природный материал. Он приме-
няется в промышленности для правки абразивных кругов.
Песчаник представляет собой зерна кварца, связанные
глинисто-известковым материалом. Его твердость составляет
около 60% от твердости алмаза. Из него изготовляют точиль-
ные круги, бруски, оселки и т. д.
Корунд — это кристаллическая окись алюминия (92%) с
примесью окисей кремния и железа. Твердость корунда состав-
ляет 90% от твердости алмаза. Из него в основном изготовляют
шлифовальные круги.
71
Наждак содержит только 65% окиси алюминия. Его твер-
дость составляет около 75—80% от твердости алмаза. Из нажда-
ка изготовляют круги и бруски для точки инструмента, наждач-
ную бумагу, пасту для притирки деталей и т. д.
Электрокорунд — искусственный корунд, содержащий
97—99% окиси алюминия. Он применяется для точильных работ,
внутреннего шлифования очень твердых сталей, калибров
и т. п.
Карборунд — это карбид кремния, получаемый в электри-
ческих печах спеканием смеси кварцевого песка с углем при
температуре 2200° С. Твердость его составляет 95% от твердости
алмаза. Карборундовые круги используют для заточки инстру-
мента с пластинками из твердых сплавов.
Карбид бора получается сплавлением борной кислоты и
нефтяного кокса в электрических печах. Твердость его составля-
ет 96% от твердости алмаза. Из него изготовляют шлифоваль-
ные круги.
Шлифовальные круги могут быть мягкими, средней твердо-
сти и твердыми. Мягкие используют для чистовой обработки за-
каленных сталей и сплавов, твердые — для обдирочных работ.
В зависимости от назначения они изготовляются различных
форм и размеров.
Для скрепления абразивных зерен в шлифовальных кругах
употребляют связку — керамическую, бакелитовую или вулкани-
товую. Качество связки зависит от твердости шлифовального
круга. Под твердостью круга понимают не твердость зерна, а
прочность связки, ее способность удерживать шлифующие зер-
на при эксплуатации.
Шлифовальная шкурка — это бумага или ткань с на-
клеенными на нее зернами абразивов. Она применяется для за-
чистки и отделки изделий. Шкурки разделяют по номерам
в зависимости от размеров зерна.
Абразивная паста состоит из окиси хрома, стеарина, ке-
росина и других компонентов. Наиболее распространенными аб-
разивными пастами являются пасты ГОИ. Существует три вида
паст: тонкие (для точных лекальных работ), средние (для полу-
чения блестящей поверхности) и грубые (для устранения неров-
ностей после шлифования).
Пасты различаются по величине зерен окиси хрома и по со-
ставу.
Огнеупорные материалы (огнеупоры). Они применяются в
термических, литейных и. кузнечных цехах заводов для футеров-
ки (кладки) нагревательных печей, горнов, вагранок и т. п. Из
огнеупорных материалов изготовляют кирпичи различной формы
и размеров, порошки, набивную массу и т. д. Кирпичи особой
формы, например радиальные кирпичи, идут для кладки сводов
печей. Для заполнения швов при кладке печей используют раст-
72
воры, изготовленные из тех же материалов, что и огнеупорные
кирпичи.
Огнеупорные материалы обладают следующими физико-хи-
мическими свойствами: термической стойкостью — способностью
выдерживать резкие колебания температуры, не растрескиваясь
и не разрушаясь; огнеупорностью — способностью выдерживать
воздействие высоких температур, а также механической прочно-
стью. Огнеупорные материалы являются плохими проводниками
тепла.
В зависимости от химического состава огнеупорные материа-
лы подразделяются на кислые (динас), основные (доломит) и
нейтральные (шамот).
Динас — это огнеупорный кирпич, изготовляемый путем об-
жига сырца из размолотых кварцитов, песчаников и других
кварцитовых пород, содержащих около 94—95% окиси кремния.
Связкой служит огнеупорная глина. Динас сохраняет темпера-
турную стойкость при 1720° С.
Д о л о м и т содержит 52—58% окиси кальция; 35—38% окиси
магния и примеси окиси алюминия, окиси кремния и др. В ка-
честве связующего материала при изготовлении кирпича приме-
няют каменноугольную смолу. Огнеупорность доломита
1800—1950° С.
Шамот — огнеупорный кирпич, содержащий окись алюми-
ния и окись титана. Шамотные кирпичи получают из смеси, со-
стоящей из молотых старых, бывших в употреблении, кирпичей
или предварительно обожженного шамотного порошка и глины.
Шамотный кирпич сохраняет температурную стойкость при
1580—1730° С. Шамот — самый дешевый и распространенный
огнеупорный материал. Его применяют для кладки нагреватель-
ных печей, вагранок и т. п.
Углеродосодержащие огнеупорные материалы (до 90% угле-
рода) находят широкое применение. Из таких огнеупоров изго-
товляют графитовые тигли, угольные и графитовые электроды
для электрических плавильных печей и т. д.
Асбестовые материалы. Группу волокнистых материалов ес-
тественного происхождения называют асбестом.
Асбест — это огнестойкий материал. Даже при температуре
1000—1200° С он не горит, а обугливается. Теплопроводность
асбеста небольшая. Асбест способен противостоять разрушающе-
му действию кислот и щелочей. Он применяется как теплоизоля-
ционный и электроизоляционный материал.
Для технических целей используют асбестовые волокна, шну-
ры, бумагу и картон (для фрикционных колец).
В настоящее время на заводах широко применяют паронит —
листовой материл, изготовляемый из асбеста и каучука. Он вы-
полняется в виде прокладок, работающих в воде, перегретом па-
ре, воздухе и инертных газах.
73
§ 11. ОСНОВНЫЕ ВИДЫ ОБРАБОТКИ МЕТАЛЛОВ
Детали машин, станков и приборов изготовляют различными
методами: отливкой, обработкой давлением (прокаткой, волоче-
нием, прессованием, ковкой и штамповкой), сваркой и механиче-
ской обработкой на металлообрабатывающих станках.
Литейное производство. Сущность литейного производства
заключается в том, что изделия или заготовки деталей машин
получают заливкой расплавленного металла в формы. Получен-
ная литая деталь называется отливкой (рис. 29).
Рис. 29. Модельный комплект:
а — раздельная модель отливки, б — разъемный стерж-
невой ящик, в — отливка втулки с литниковой системой,
г — стержень
Технологический процесс литейного производства состоит из
подготовки формовочных и стержневых смесей, изготовления
форм и стержней, плавки металла, сборки и заливки формы,
удаления отливок из формы и в отдельных случаях термической
обработки отливок.
Литье применяют для изготовления самых различных дета-
лей: станин металлорежущих станков, блоков цилиндров авто-
мобилей, тракторов, поршней, поршневых колец, радиаторов
отопления и т. п.
Отливки изготовляют из чугуна, стали, медных, алюминиевых,
магниевых и цинковых сплавов, обладающих необходимыми тех-
нологическими и техническими свойствами. Наиболее распро-
74
страненным материалом является чугун — самый дешевый мате-
риал, обладающий высокими литейными свойствами и низкой
температурой плавления.
Фасонные отливки с повышенной прочностью и высокой удар-
ной вязкостью изготовляют из углеродистых сталей марок 15Л,
35Л, 45Л и т. д. Буква Л означает литую сталь, а цифры — сред-
нее содержание углерода в сотых долях процента.
Литейную форму, полость которой представляет собой отпе-
чаток будущей отливки, получают из формовочной смеси при по-
мощи деревянной или металлической модели.
В качестве материала для формовочных смесей применяют
бывшую в употреблении формовочную землю (горелую), свежие
составляющие — кварцевый песок, формовочную глину, и добав-
ки: каменноугольную пыль, сульфитный щелок (отходы бумаж-
ного производства) и т. д. Выбор их зависит от веса и толщины
стенок отливок и химического состава заливаемого металла.
Стержни, предназначенные для получения в отливках поло-
стей и отверстий, изготовляют из стержневой смеси в специаль-
ных ящиках.
Стержневая смесь обычно состоит из малоглинистого песка
и связующих веществ, льняного масла и его заменителей, суль-
фитного щелока, декстрина (продукта производства крахмала),
канифоли и т. п.
В индивидуальном и мелкосерийном производстве литейные
формы выполняют ручным способом, используя деревянные мо-
дели, в поточно-массовом производстве — на специальных маши-
нах, по модельным плитам (металлическая плита с прочно за-
крепленными на ней частями модели) и в двух опоках.
Чугун плавят в вагранках (шахтных печах), сталь — в кон-
верторах, дуговых и индукционных электрических печах, а цвет-
ное литье — в плавильных тигельных горнах. Металл, выплав-
ленный в вагранках, сначала разливается в ковши, а затем через
литниковую систему (систему каналов в форме) — в форму.
После заливки и охлаждения отливку вынимают из формы,
очищая ее от заусенцев, остатков литников и пригоревшей
земли.
Специальные способы литья. Кроме литья в земляные формы,
на заводах в настоящее время применяют следующие прогресс
сивные способы литья: литье в металлические формы (кокили);
центробежное литье, литье под давлением, точное литье по вы-
плавляемым моделям и литье в оболочковые формы (корковое
литье). Эти способы позволяют получать детали более точ-
ной формы и с небольшими припусками на механическую обра-
ботку.
Литье в металлические формы. Этот способ со-
стоит в том, что расплавленный металл заливают не в разовую
земляную форму, а в постоянную металлическую, изготовлен-
75
ную из чугуна, стали или других сплавов. Металлическая форма
выдерживает от нескольких сот до десятков тысяч заливок.
На рис. 30 показана схема металлической формы для отлив-
ки алюминиевых поршней. Корпус формы (рис. 30, а) состоит из
двух половин (неподвижной 1 и подвижной 2) и стальной пли-
ты 3.
Литниковая система 4 расположена в полости разъема. Внут-
ренняя полость отливки образуется при помощи металлического
стержня (рис. 30, б), который для удобства выемки сделан разъ-
емным. После затвердевания сплава сначала вынимают конус-
ную часть 2, а затем и боковые части 1 и 3.
Рис. 30. Металлическая форма (а) и разъемный металлический
стержень (б)
Центробежное литье. При этом способе расплавлен-
ный металл заливается в быстровращающуюся металлическую
форму и под действием центробежных сил прижимается к ее
стенкам. Металл обычно заливают на машинах с вертикальной,
горизонтальной и наклонной осью вращения.
Центробежное литье применяют для изготовления втулок,
колец, труб и т. п.
Литье под давлением — это способ получения фасон-
ных отливок в металлических формах, при котором металл в
форму заливают под принудительным давлением. Таким спосо-
бом получают мелкие фасонные тонкостенные детали автомоби-
лей, тракторов, счетных машин и т. д. Материалом для отливок
служат медные, алюминиевые и цинковые сплавы.
Литье под давлением производится на специальных машинах.
Точное литье по выплавляемым моделям.
Этот способ основан на применении модели из смеси легковы-
плавляемых материалов — воска, парафина и стеарина. Литье
осуществляется следующим образом. По металлической пресс-
76
форме с большой точностью изготовляют восковую модель, ко-
торую склеивают в блоки (елочки) с общей литниковой систе-
мой и облицовывают огнеупорным формовочным материалом.
В качестве облицовочного материала применяют смесь, состоя-
щую из кварцевого песка, графита, жидкого стекла и других
компонентов. При высыхании и обжиге формы облицовочный
слой образует прочную корку, которая дает точный отпечаток
восковой модели. После этого восковая модель выплавляется,
а форма прокаливается. Расплавленный металл заливают в
форму обычным способом. Точным литьем изготовляют мелкие
фасонные и сложные детали автомобилей, велосипедов, швейных
машин и т. п.
Литье в оболочковые формы является разновид-
ностью литья в разовые земляные формы. Подогретая до
220—250° С металлическая модель будущей отливки обсыпается
из бункера формовочной смесью, состоящей из мелкого кварце-
вого песка (90—95%) и термореактивной бакелитовой смолы
(10—5%). Под действием тепла смола в слое смеси, соприка-
сающаяся с плитой, сначала плавится, затем затвердевает, обра-
зуя на модели прочную песчано-смоляную оболочку. После про-
сушки оболочковую полуформу соединяют с соответствующей
ей другой полуформой, в результате чего получается прочная
форма. Корковое литье применяют для отливки стальных и чу-
гунных деталей станков, машин, мотоциклов и т. д.
Основными дефектами отливок в литейном производстве яв-
ляются: коробление — изменение размеров и контуров от-
ливки под влиянием усадочных напряжений; газовые рако-
вины — пустоты, расположенные на поверхности и внутри от-
ливок, которые возникают от неправильного режима плавки;
усадочные раковины — закрытые или открытые пустоты
в отливках, получаемые в результате усадки металла при
охлаждении.
Незначительные дефекты в отливках устраняют заваркой
жидким металлом, пропиткой термореактивными смолами и тер-
мической обработкой.
Обработка металла давлением. При обработке металла дав-
лением широко используют пластические свойства металлов, т. е.
их способность в определенных условиях под действием прило-
женных внешних сил изменять, не разрушаясь, размеры и форму
и сохранять полученную форму после прекращения действия
сил. При обработке давлением изменяются также структура и
механические свойства металла.
Чтобы повысить пластичность металла и уменьшить величи-
ну работы, затрачиваемой на деформацию, перед обработкой
давлением металл необходимо нагреть. Металл обычно нагрева-
ют при определенной температуре, зависящей от его химическо-
го состава. Для нагрева применяют горны, нагревательные пла-
77
менные печи и электронагревательные установки. Большую
часть обрабатываемого металла нагревают в камерных и методи-
ческих (непрерывных) печах с газовым обогревом. Для подогре-
ва под прокатку крупных стальных слитков, поступающих не-
остывшими из сталеплавильных цехов, используют нагреватель-
ные колодцы. Цветные металлы и сплавы нагревают в электри-
ческих печах. Нагрев черных металлов производится двумя спо-
। собами: индукционным и контакт-
Рис. 31- Схема прокатки металла
в валках
ным. При индукционном способе
заготовки нагреваются в индукто-
ре (соленоиде), по которому про-
пускают ток высокой частоты, за
счет тепла, возникаемого под дей-
ствием индукционного тока. При
контактном электронагреве ток
большой величины пропускают че-
рез нагреваемую заготовку. Теп-
ло выделяется в результате оми-
ческого сопротивления 'Нагревае-
мой заготовки.
К видам обработки металлов
давлением относятся прокатка,
волочение, прессование, свобод-
ная ковка и штамповка.
Прокатка — самый массо-
вый способ обработки металлов
давлением, осуществляемый пу-
тем пропуска металла в зазор
между вращающимися в разных направлениях валками, вслед-
ствие чего уменьшается площадь поперечного сечения исхоцной
заготовки, а в ряде случаев изменяется ее профиль.
Схема прокатки изображена на рис. 31.
Прокаткой получают не только готовые изделия (рельсы,
балки), но и сортовой прокат круглого, квадратного, шестигран-
ного профилей, трубы и т. п. Прокатка производится на блюмин-
гах, слябингах, сортовых, листовых, трубопрокатных и других
станах, Ба гладких и калиброванных валках с ручьями (калиб-
рами) определенной формы. На блюмингах из крупных и тяже-
лых слитков прокатывают заготовки квадратного сечения, назы-
ваемые блюмсами, ла слябингах — заготовки прямоугольного
сечения (стальные диски), называемые слябами.
Сортовые станы используют для прокатки из блюмсов сорто-
вых и фасонных профилей, листовые станы — для листовой про-
катки из слябов в горячем и холодном состоянии, а трубопрокат-
ные станы — для прокатки бесшовных (цельнотянутых) труб.
Бандажи, дисковые колеса, шарики для подшипников, зубчатых
колес и т. п. прокатывают на станах специального назначения.
78
Волочение. Этот способ состоит в протягивании металла
в холодном состоянии через отверстие (фильер) в матрице, попе-
речное сечение которого меньше, чем у обрабатываемой заготов-
ки. При волочении площадь поперечного сечения уменьшается,
благодаря чему длина заготовки увеличивается. Волочению под-
вергают черные и цветные металлы и сплавы в прутках, прово-
локе и трубах. Волочение позволяет получать материалы точных
размеров и с высоким качеством поверхности.
Волочением получают сегментные шпонки, стальную про-
волоку диаметром 0,1 мм, иглы для медицинских шприцев и
т. д.
Волочение производят на волочильных станах. В качестве
инструмента применяют волочильные доски и матрицы, изготов-
ляемые из инструментальной стали и твердых сплавов.
Прессование. Оно осуществляется продавливанием ме-
талла через отверстие матрицы. Профиль прессованного металла
соответствует конфигурации отверстия матрицы, оставаясь по-
стоянным по всей длине. Прессованием изготовляют прутки, тру-
бы и различные сложные профили из таких цветных металлов,
как олово, свинец, алюминий, медь и т. д. Прессуют обычно на
гидравлических прессах усилием до 15 тыс. т.
Ковка. Операция, при которой металлу ударами инстру-
ментов придают требуемую внешнюю форму, называется ков-
кой. Ковку, осуществляемую под плоскими бойками, называют
свободной, так как изменение формы металла при этом виде
обработки не ограничивается стенками особых форм (штампов)
и металл «течет» свободно. Свободной ковкой можно изготов-
лять самые тяжелые поковки — вплоть до 250 т. Свободная
ковка разделяется на ручную и машинную. Ручную ковку в
основном применяют при изготовлении мелких изделий или при
ремонтных работах. Машинная ковка — это основной вид сво-
бодной ковки. Она выполняется на ковочных пневматических
или паровоздушных молотах (рис. 32), реже — на ковочных гид-
равлических прессах. При ручной ковке инструментом являются
наковальня, кувалда, зубило, пробойники, клещи и т. д. При
машинной ковке рабочим инструментом служат бойки ковочных
молотов и прессов, вспомогательным — раскатки, прошивки и
клеши. Кроме вспомогательного инструмента, применяют ма-
шины, называемые манипуляторами, предназначенные для удер-
жания, перемещения и кантовки тяжелых заготовок в процессе
ковки.
Основными операциями технологического процесса свободной
ковки являются: осадка (уменьшение высоты заготовки), вытяж-
ка (удлинение заготовки), прошивка (получение отверстий),
рубка, сварка и т. п.
Штамповка. Способ изготовления изделий давлением при
помощи штампов, т. е. металлических форм, очертания и форма
79
которых соответствует очертанию и фо-рме изделий, называют
штамповкой. Различают объемную и листовую штамповку. При
объемной штамповке поковки штампуют на штамповочных и
ковочных прессах. Штампы состоят из двух частей, каждая из
которых имеет полости (ручьи). Очертания ручьев соответствуют
форме изготовляемой поковки. Поковки можно штамповать
и на паровоздушных молотах одинарного и двойного действия
Рис. 32. Паровоздушный ковочный молот:
1 — рабочий цилиндр, 2 — шток, 3 — станина молота,
4, 5 — рукоятки рычагов, 6 — стальная баба, 7 — верх-
ний боек
с падающей частью (бабой) весом до 20—30 т и кривошипных
прессах с усилием до 10 тыс. г. При штамповке нагретая заго-
товка под действием удара молота деформируется и заполняет
полость штампа, излишек металла (облой) поступает в специ-
альную канавку и затем обрезается на прессе. Мелкие поковки
штампуют из прутка длиной до 1200 мм, а крупные — из штуч-
ных заготовок.
Листовой штамповкой изготовляют тонкостенные детали из
листов и лент различных металлов и сплавов (шайбы, сепарато-
ры подшипников, кабины, кузовы, крылья и другие детали авто-
мобилей и приборов). Листовой металл толщиной до 10 мм
80
штампуют без нагрева, более 10 мм — с нагревом до ковочных
температур.
Листовую штамповку обычно производят на кривошипных и
листоштамповочных прессах простого и двойного действия.
В условиях массового производства подшипников, болтов,
гаек и других деталей широкое применение находят специализи-
рованные кузнечные машины. Наибольшее распространение по-
лучила горизонтально-ковочная машина, общий вид которой изо-
бражен на рис. 33.
Рис. 33. Горизонтально-ковочная машина
Основные дефекты проката и п о к о в о к. При про-
катке заготовок могут возникать следующие дефекты: трещины,
волосовины, плены, закаты.
Трещины образуются из-за недостаточного прогрева металла
или при большом обжатии в валках.
Волосовины появляются на поверхности проката в виде вы-
тянутого волоса в тех местах металла, где были газовые пузыри,
раковины.
Плены возникают при прокатке некачественных слитков.
Закаты — это дефекту наподобие складок, получающиеся при
неправильном прокате.
В кузнечно-штамповочном производстве могут быть следую-
щие виды брака: забоины, недоштамповка, перекос и т. д.
Забоины, или вмятины, — это простые повреждения поковки,
образующиеся при неточной укладке заготовки в ручей штампа
перед ударом молота.
6—1134 81
Недоштамповка, или «недобой», — это увеличение поковки
по высоте, возникающее из-за недостаточного количества силь-
ных ударов молота или из-за остывания заготовки, в результате
чего металл теряет пластичность.
Перекос, или смещение, — это вид брака, при котором верх-
няя половина поковки смещается или перекашивается относи-
тельно нижней.
Устранение дефектов и брака достигается правильным выпол-
нением технологических процессов прокатки, ковки и штам-
повки.
Сварка металлов. Сварка — один из важнейших технологиче-
ских процесов, применяемых во всех областях промышленности.
Сущность процессов сварки состоит в получении неразъемного
соединения стальных деталей путем местного нагрева до плавле-
ния или до пластического состояния. При сварке плавлением ме-
талл расплавляется по кромкам соединяемых частей, перемеши-
вается в жидкой ванне и затвердевает, образуя после охлажде-
ния шов. При сварке в пластическом состоянии соединяемые ча-
сти металла нагревают до размягченного состояния и под давле-
нием соединяют в одно целое. В зависимости от видов энергии,
применяемой для нагрева металла, различают химическую и
электрическую сварку.
Химическая сварка. При этом виде сварки источником
нагрева служит тепло, получаемое при химических реакциях.
Она подразделяется на термитную и газовую сварку.
Термитная сварка основана на использовании в качестве го-
рючего материала термита, представляющего собой механиче-
скую смесь алюминиевого порошка и железной окалины, разви-
вающего при горении температуру до 3000°С. Этот вид сварки
применяют для сварки трамвайных рельсов, концов электриче-
ских проводов, стальных валов и других деталей.
Газовую сварку осуществляют нагревом металла пламенем
горючего газа, сжигаемого в струе кислорода. В качестве горю-
чих газов при газовой сварке и резке металлов используют аце-
тилен, водород, природный газ и т. п., но наиболее распростра-
ненным является ацетилен. Максимальная температура газового
пламени 3100° С.
Аппаратурой для газовой сварки служат стальные баллоны и
сварочные горелки со сменными наконечниками, а материа-
лом— конструкционные малоуглеродистые стали. В качестве
присадочного материала для сварки сталей используют специ-
альную сварочную проволоку.
Газовой сваркой можно производить сварку чугунов, цвет-
ных металлов, 1наплавку твердых сплавов, а также кислородную
резку металлов.
Электрическая сварка. Она подразделяется на дуго-
вую и контактную сварку. При дуговой сварке энергия, необ-
82
током — от сварочных транс-
Рис. 34. Схема процесса
автоматической сварки
сварки под слоем флюса
ходимая для нагрева и расплавления металла, выделяется элек-
трической дугой, а при контактной электросварке— при прохож-
дении тока по свариваемой детали.
Дуговую электросварку осуществляют на постоянном и пере-
менном токе. Источником тепла для такого вида сварки явля-
ется электрическая дуга.
Сварочная дуга питается постоянным током от сварочных
машин-генераторов, переменным
форматоров.
Для дуговой сварки приме-
няют металлические электроды,
покрываемые специальной об'
мазкой для защиты расплав-
ленного металла от кислоро-
да и азота воздуха, и уголь-
ные.
Дуговая сварка может быть /
ручной и автоматической. Ав<
томатическая сварка осуществ-
ляется на сварочных автома-
тах. Она обеспечивает получе-
ние качественного сварного
шва и резко увеличивает про-
изводительность труда.
Схема процесса автоматичен
показана на рис. 34. Сварку производят голой электродной про-
волокой 4, которая подается к месту сварки сварочной голов-
кой 5, перемещающейся вдоль шва. Впереди дуги в разделку
шва из бункера 2 насыпается специальный флюс 1. В процессе
сварки этот флюс равномерно закрывает шов, частично расплав-
ляется, образуя плотную корку 6. Оставшийся нерасплавленный
флюс отсасывается обратно в бункер при помощи шланга 3.
Дуга под слоем флюса между электродом и свариваемой де-
талью 7 горит изолированно от атмосферы воздуха. Флюсовая
защита в этом процессе позволяет без потерь металла повысить
силу тока и тем самым увеличить производительность в пять и
более раз по сравнению с ручной дуговой сваркой.
Контактная сварка основана на использовании тепла, выде-
ляемого при прохождении электрического тока через сваривае-
мый участок детали. Свариваемые детали в месте контакта на-
гревают до сварочного состояния, после чего под давлением по-
лучают неразъемные соединения.
Контактная сварка делится на стыковую, точечную и роли-
ковую.
Стыковая сварка — это разновидность контактной сварки.
Она используется для сварки рельсов, стержней, инструмента,
тонкостенных труб и т. д.
6* 83
Точечная сварка производится в виде точек в отдельных ме-
стах деталей. Она широко применяется для сварки из листово-
го материала кузовов легковых автомобилей, обшивки самоле-
тов, железнодорожных вагонов и т. п.
Роликовая, или шовная, сварка осуществляется при помощи
роликовых электродов, подключаемых к сварочному трансфор-
матору. Она позволяет получать на листовом материале сплош-
ной и герметически плотный сварной шов. Роликовую сварку ис-
пользуют для изготовления масляных, бензиновых и водяных
баков, труб из листовой стали.
Дефекты сварки. Дефектами, возникающими при сварке,
могут быть непровары, шлаковые включения, трещины в свароч-
ном шве и основном металле, коробление и т. д.
Обработка металла резанием. Основное назначение такой
обработки — получение необходимых геометрических форм, точ-
ности размеров и чистоты поверхности, заданных чертежом.
Лишние слои металла (припуски) с заготовок снимаются ре-
жущим инструментом на металлорежущих станках. В качестве
заготовок применяют отливки, поковки и заготовки из сортового
проката черных и цветных металлов.
Резание металлов является одним из наиболее распростра-
ненных способов механической обработки деталей машин и при-
боров. Обработка деталей на металлорежущих станках осуще-
ствляется в результате рабочего движения обрабатываемой за-
готовки и режущего инструмента, при котором инструмент сни-
мает стружку с поверхности заготовки.
Металлорежущие станки подразделяются на группы в зави-
симости от способов обработки, типов и типоразмеров.
Токарные станки предназначаются для выполнения
разнообразных токарных работ: точения цилиндрических, кони-
ческих и фасонных поверхностей, растачивания отверстий, наре-
зания резьбы резцом, а также обработки отверстий зенкерами и
развертками.
Для работы на токарных станках применяют различные виды
режущего инструмента, но основными из них являются токарные
резцы.
Сверлильные станки используют для получения в за-
готовках отверстий, а также для зенкерования, развертывания и
нарезания резьбы метчиками.
Для работы на сверлильных станках применяют такой режу-
щий инструмент, как сверла, зенкеры, развертки и метчики.
Сверло — это основной режущий инструмент.
Зенкер служит для увеличения диаметра предварительно
просверленных отверстий.
Развертки предназначаются для выполнения точных и чисто-
вых отверстий, предварительно обработанных сверлом или зен-
кером.
84
Метчики используют при изготовлении внутренних резьб.
Фрезерные станки предназначаются для выполнения
самых разнообразных работ — от обработки плоских поверхно-
стей до обработки различных фигур. Инструментом для фрезе-
рования служат фрезы.
Строгальные станки применяют для обработки плос-
ких и фасонных поверхностей, а также для прорезания прямых
канавок у деталей. При работе на строгальных станках металл
снимают только во время рабочего хода, так как обратный
ход — холостой. Скорость обратного хода в 1,5—3 раза больше
скорости рабочего хода. Строгание металла осуществляется рез-
цами.
Шлифовальные станки используют для отделочных
операций, обеспечивающих высокую точность размеров и каче-
ство обрабатываемых поверхностей. В зависимости от видов
шлифования станки подразделяют на круглошлифовальные —
для наружного шлифования, внутришлифовальные — для внут-
реннего шлифования и плоскошлифовальные — для шлифования
плоскостей. Детали шлифуют шлифовальными кругами.
Под слесарными работами понимают ручную обра-
ботку металла резанием. Они подразделяются на основные,
сборочные и ремонтные.
Основные слесарные работы производятся с целью придания
обрабатываемой детали форм, размеров, необходимой чистоты
и точности, заданных чертежом.
Сборочные слесарные работы выполняются при сборке узлов
из отдельных деталей и сборке машин и приборов из отдельных
узлов.
Ремонтные слесарные работы осуществляются с тем, чтобы
продлить срок службы /металлорежущих станков, машин, куз-
нечных молотов и другого оборудования. Сущность таких работ
заключается в исправлении или замене изношенных и повреж-
денных деталей.
Электрические методы обработки металлов. К ним относятся
электроискровой и ультразвуковой методы. Электроискро-
вой метод обработки металлов применяют для изготовления
(прошивки) отверстий различной формы, извлечения из отвер-
стий деталей сломанных метчиков, сверл, шпилек и т. п., а также
для заточки твердосплавных инструментов. Обработке подверга-
ются твердые сплавы, закаленные стали и другие твердые ма-
териалы, которые не <могут быть обработаны обычными способа-
ми.
Этот метод основан на явлении электрической эрозии, т. е.
на разрушении металла под действием электроискровых разря-
дов.
Сущность электроискрового метода обработки металлов со-
стоит в том, что к инструменту и изделию, служащим электрода-
85
ми, подводится электрический ток определенной силы и 1напря-
жения. 'При сближении электродов на определенном расстоянии
между ними под действием электрического тока происходит про-
бой этого промежутка (зазора). В месте пробоя возникает высо-
кая температура, расплавляющая металл и выбрасывающая его
в виде жидких частиц. Если к заготовке подвести положитель-
ное напряжение (анод), а к инструменту — отрицательное (ка-
тод), то при искровом разряде происходит вырыв металла из за-
готовки. Чтобы раскаленные частицы, вырванные разрядом из
электрода-изделия, не перескакивали на электрод-инструмент и
не искажали его, искровой промежуток заполняют керосином
или маслом.
Инструмент-электрод выполняют из латуни, меднографито-
вой массы и других материалов. При изготовлении отверстий
электроискровым методом можно получать любой контур в за-
висимости от формы инструмента-катода.
Кроме электроискрового метода обработки металлов, в про-
мышленности применяют ультразвуковой метод, осно-
ванный на использовании упругих колебаний среды со сверхзву-
ковой частотой (частота колебаний более 20 тыс. гц). При помо-
щи ультразвуковых установок можно обрабатывать твердые
сплавы, драгоценные камни, закаленную сталь и т. д.
Контрольные вопросы
I. Какими свойствами обладают металлы?
2. Расскажите о важнейших механических свойствах металлов и мето-
дах их определения.
3. Что называется сталью и чугуном?
4. Какие сплавы получают на основе меди и алюминия?
5. Что называется коррозией металлов и какими способами ее устра-
няют?
6. Какими свойствами обладают слоистые и литые пластмассы?
7. Назовите основные материалы для изготовления абразивных кругов.
8. Какими свойствами обладают огнеупорные материалы?
9. В чем состоит сущность получения отливок в земляные, металлические
и корковые формы?
10. Что такое ковка и штамповка и каково их назначение?
11. В чем состоит сущность электродуговой и газовой сварки?
12. На чем основан электроискровой метод обработки металлов?
Глава IV
ОСНОВНЫЕ И ВСПОМОГАТЕЛЬНЫЕ МАТЕРИАЛЫ
§ 1. ОСНОВНЫЕ МАТЕРИАЛЫ
Для нагрева стальных деталей под закалку и отпуск, а также
для охлаждения при изотермической закалке в термических це-
хах применяют технические соли и их смеси, кислоты, щелочи,
охлаждающие жидкости, раскислители соляных ванн и твердые
карбюризаторы для цементации.
Соли. Наиболее часто применяемыми солями являются сле-
дующие: для закалочных ванн (хлористый натрий, хлористый
барий, углекислый натрий и т. д.), для низкотемпературных
ванн (селитра и т. д.) и для цианирования (цианистый калий,-
цианистый натрий и т. д.).
Хлористый натрий, или поваренная соль (NaCl), пред-
ставляет собой бесцветные кристаллы, хорошо растворимые в
воде. Удельный вес и температура плавления хлористого натрия
и других солей приведены в табл. 20. Хлористый натрий приме-
Таблица 20
Физические свойства солей
Наименование солей Химическое обозначение Удельный вес, г 1см3 Температура плавления, °C
Углекислый барий ВаСО3 3,86 962
Хлористый барий ВаС12 3,86 962
Безводная бура N а2В4О7 2,37 710
Цианистый калий KCN 1,52 634
Кровяная соль:
желтая *. . K4Fe(CN)G 1,93 —
красная ' K3Fe(CN)G 1,93 —
Нитрит натрия NaNO., 2,17 280
Цианистый натрий NaCN — 564
Натриевая селитра NaNO3 2,26 308
Калиевая селитра KNO3 2,11 333
Кальцинированная сода Na9CO3 2,53 851
Каустическая сода NaOH 2,13 318
Поваренная соль NaCl 2,16 800
87
няется в расплавленном виде в смеси технических солей для на-
грева металла под закалку.
Хлористый барий (BaCU)—это бесцветные кристаллы,
тоже хорошо растворимые в воде. Он используется в качестве
закалочных солей, необходимых для нагрева под закалку (до
1300° С) быстрорежущих сталей.
Углекислый.натрий, или кальцинированная сода
(ЫагСОз), представляет собой порошок белого цвета, растворяю-
Рис. 35. Бункер для хранения закалочных солей
щийся в воде с выделением тепла. Он применяется в расплавлен-
ном виде для нагрева деталей под закалку и для приготовления
водных растворов, используемых при промывке деталей после
термической обработки.
Технические закалочные соли обычно хранят в ящиках, ла-
рях, баках и другой таре. На передовых машиностроительных
заводах соли помещают в специальные резервуары (рис. 35) с
двумя или тремя отсеками, что позволяет одновременно хранить
до трех различных составов солей.
Смеси технических солей. На заводах в качестве нагреватель-
ных сред в соляных ваннах .наибольшее распространение полу-
чили .не чистые технические соли, а их смеси. Температура плав-
ления смесей зависит от их состава.
Составы и температура плавления наиболее часто употреб-
ляемых смесей даны в табл. 21.
88
Таблица 21
Составы солей для закалочных соляных ванн
Наименование солей Химическое обозначение Состав соляных смесей (°/0) по весу Температура, °C
плав- ления рабочая
Хлористый барий ........ . Поваренная соль ВаС12 NaCl 78 1 22 / 654 675—900
Кальцинированная сода Хлористый калий Na2CO3 КС1 50 I 50 / 560 580-820
Хлористый кальций Хлористый барий Поваренная соль СаС12 ВаС12 NaCl 33,0 А 33,5 1 33,5/ 570 600-870
Поваренная соль Кальцинированная сода NaCl Na2CO3 35 1 65 f 620 650-820
Поваренная соль Хлористый калий Хлористый барий NaCl KC1 BaCl2 37 41 22 J 552 590-880
Хлористый кальций Хлористый барий CaCl2 BaCl2 50) 50/ 600 650-900
Селитры — это соли азотной кислоты. Наиболее часто
применяют калиевую (KNO3) и натриевую (NaNCb) селитры,—
представляющие собой бесцветные кристаллы, легко раствори-
мые в воде.
К селитрам также относятся азотистокислый натрий — нит-
рат натрия NaNO2 и азотистокислый калий KNO2.
Селитры и их смеси в основном используются для отпуска
закаленных деталей на температуру 180—540° С. В табл. 22 при-
ведены составы наиболее употребляемых селитр и их темпера-
туры.
Таблица 22
Составы селитр
Состав смесей солей Температура, °C
плавления | рабочая
55%KNO3 + 45°/0NaNO2 137 150-500
55%NaNO3 + 45o/oNaN02 221 ' 230-550
50°/0NaNO3 + 50°/0KNO3 220 250—550
50°/0NaNO3 + 50%KNO2 150 180-550
Селитры можно применять при температуре не выше 550° С,
так как выше этой температуры они разлагаются, вступая в со-
единение с железом. При этом реакция соединения сопровож-
89
дается выделением большого количества тепла, которое может
вызвать взрыв. Поэтому для нагрева выше 500° С безопаснее
употреблять сплавы хлористых солей.
Селитру хранят в специальном помещении в металлических
ящиках, так как хранить ее в деревянной таре или мешках
опасно — в случае пожара она способствует интенсивному горе-
нию и может привести к взрыву.
Из цианистых солей 1наибольшее применение находят
цианистый калий KCN, цианистый натрий NaCN и соли цианида
кальция Ca(CN)2, часто называемые черным цианидом или
сплавом ГИПХ. По внешнему виду эти соли представляют собой
бесцветные кристаллы. Под действием влаги и двуокиси углеро-
да воздуха они быстро переходят в углекислые соли, выделяя
при этом ядовитую синильную кислоту HCN с запахом, напоми-
нающим запах горького миндаля.
В термических цехах цианистые соли используют в расплав-
ленном виде для цианирования, т. е. насыщения поверхности
стальных деталей углеродом и азотом. Соли имеют низкую тем-
пературу плавления и поэтому в чистом виде редко применяются.
Для повышения температуры плавления и меньшего испарения
к ним добавляют нейтральные соли — хлористый барий, поварен-
ную соль и др.
Цианистые соли ядовиты, поэтому обращение с ними и хра-
нение их требуют соблюдения мер предосторожности и строгого
выполнения инструкции по технике безопасности. Цианистые со-
ли хранят в специальном помещении, в оцинкованных ящиках,
которые должны находиться под вытяжной вентиляцией.
Щелочи. Щелочь — сильное основание, обычно хорошо рас-
творимое в врде. К щелочам относится едкий натр, едкое кали
и т. д.
Едкий натр, или каустическая сода, NaOH — это белая
непрозрачная масса с удельным весом 2,13, хорошо растворимая
в воде с выделением тепла. Температура плавления около
318° С.
Едкое кали КОН тоже представляет собой белую непро-
зрачную массу. Удельный вес его 2,04, температура плавления
360° С.
В термических цехах едкие щелочи применяют в виде водных
растворов для охлаждения стальных деталей при закалке. При
обращении с едкими щелочами необходимо соблюдать предо-
сторожность и пользоваться защитной одеждой и очками. Ще-
лочи хранят в железных барабанах, бочках и цистернах.
При нагреве стальных деталей в соляных ваннах часто на-
блюдается обезуглероживание, т. е. выгорание углерода с по-
верхности металла. Для предотвращения этого явления соляные
ванны подвергаются раскислению путем добавки в них раскисли-
телей.
90
Раскислители соляных ванн. Основными раскислителями со-
ляных ванн являются желтая кровяная соль К4ре(СН)б, обез-
воженная бура Na2B4O7, порошок ферросилиция и т. д. Сущ-
ность действия раскислителей — удаление кислорода из расплав-
ленных солей ванны.
Раскисление ванны желтой кровяной солью производится
периодически, через 2—4 часа непрерывной работы ванны. Жел-
той кровяной соли добавляется 0,5—1% от веса солей ванны;
ферросилиция (75% кремния)—1,0—1,5%; обезвоженной бу-
ры — 2—3%.
Материалы для твердых карбюризаторов. Для цементации,
т. е. для насыщения поверхности стальных деталей углеродом,
применяют твердые карбюризаторы (цементаторы). Карбюриза-
торы в основном состоят из древесного березового угля, соды и
углекислого бария. В табл. 23 приведены составы наиболее
употребляемых твердых карбюризаторов.
Таблица 23
Составы твердых карбюризаторов
Состав
Содержание
(%) по весу
Завод-
изготовитель
Древесный уголь......................
Углекислый барий.....................
Кальцинированная сода ...............
Патока ..............................
Древесный уголь......................
Чистый каменноугольный кокс..........
Углекислый барий.....................
Кальцинированная сода ...............
Мел .................................
Патока ..............................
Древесный уголь......................
Углекислый барий ....................
75—80
12-15
1—2
4-5
55—65
20-25
6-8
3-4
2-3
4-5
85-90
10-15
Боидюжский
Кировский
Крупные машиностроительные заводы имеют свои установки
для твердых карбюризаторов. Наиболее распространен карбю-
ризатор Бондюжского завода.
Закалочные среды. Закалку осуществляют помещением на-
гретой стальной детали в. различные охлаждающие среды — жид-
кие, газообразные и реже в твердые — стальные плиты и
штампы.
На практике применяют различные, резко отличающиеся по
своим физическим свойствам среды: воду, водные растворы со-
лей, расплавленные соли, щелочи -и минеральные масла. Более
подробно о закалочных средах и их свойствах см. в гл. IX.
91
§ 2. ВСПОМОГАТЕЛЬНЫЕ МАТЕРИАЛЫ
К вспомогательным материалам относятся: смазочные, мою-
щие, охлаждающие и обтирочные.
Смазочные материалы. Они применяются для смазки различ-
ных машин и механизмов с целью уменьшения трения между
трущимися твердыми поверхностями и для охлаждения нагре-
тых деталей при закалке и т. д.
Различают два вида смазочных материалов: жидкие мине-
ральные масла и густые консистентные смазки. Минеральные
масла — это продукты перегонки нефти и каменного угля. В за-
висимости от назначения они называются закалочными, машин-
ными, автотракторными и т. д. Основные свойства масел, при-
меняемых при термообработке, — вязкость, температура вспыш-
ки и застывания — приведены в табл. 24.
Таблица 24
Свойства минеральных масел
Название масла Вязкость Езо Темпера- тура за- стывания, °C Темпера- тура вос- пламене- ния, °C Назначение
Веретенное 2 1,9—2,2 —30 165 Для закалки стали
Веретенное 3 —20 170 То же
Вапор .... 5,5-7,5 — 320 Для смазки паровых моло-
тов и для отпускных ванн
За величину вязкости принято отношение времени истечения
масла ко времени истечения такого же количества воды через
отверстие такого же сечения при температуре 20° С. Эта величи-
на характеризует вязкость масла в градусах Энглера и обозна-
чается Е50 и Еюо. Числа 50 и 100 означают температуру масла,
при которой установлен показатель вязкости. С понижением
температуры и повышением давления вязкость масла возрастает
и наоборот.
Кроме минеральных масел в промышленности применяют
растительные масла: льняное, оливковое, хлопковое, касторо-
вое и др. Они получаются прессованием семян соответствующих
растений.
Очень часто употребляют смазку смешанного состава, со-
стоящую из минеральных, ’животных растительных масел.
Твердые или консистентные смазки представляют собой смесь
мыла со смазочными маслами. К таким смазкам относятся: со-
лидол (тавот), вазелиновая мазь, пушечная смазка, калипсол
и др. Они применяются для смазки механизмов и для защиты
деталей от коррозии.
92
Моющие материалы. Для очистки от солей, масла, грязи де-
тали после термической обработки промывают в горячем водном
растворе щелочи, содержащей 5—10% Na2CO3 или NaOH. Тем-
пература таких растворов щелочей обычно составляет 60—95° С.
Детали после цианирования и цианистые отходы подвергают
нейтрализации железным купоросом, растворенным в горячей
воде, в соответствии со специальными инструкциями.
Охлаждающие жидкости, или эмульсии. Рас-
твор соды и мыла в воде, различные масла и смеси мыла и мас-
ла с водой, называемые эмульсиями, применяются для охлажде-
ния инструмента и обрабатываемого материала во время реза-
ния. Эмульсии сохраняют режущие свойства инструмента при
больших скоростях резания и не вызывают коррозию металла.
В качестве обтирочных материалов применяют полотняные
салфетки, ветошь и текстильные концы — отходы текстильной
промышленности.
Контрольные вопросы
1. Какие соли применяют для закалки стали?
2. Как хранят технические нейтральные и цианистые соли?
3. Каково назначение селитры и щелочей?
4. Для каких целей применяют смазочные и охлаждающие материалы?
Глава V
ЧТЕНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
§ 1. ПОНЯТИЕ О ЧЕРТЕЖАХ И ЭСКИЗАХ
Чертежом называют графическое изображение предмета, ха-
рактеризующее его форму и размеры и выполненное по опреде-
ленным правилам проектирования с применением общепринятых
условностей изображения и обозначения.
По чертежам изготовляют детали и производят сборку узлов,
машин и конструкций. Чертеж на производстве — это основной
технический документ, в котором указаны необходимые сведе-
ния о деталях, их материале, термической обработке, технические
условия на изготовление. По нему проверяют качество обработ-
ки на всех стадиях технологического процесса.
Чертежи, выполненные от руки карандашом и содержащие
необходимые данные для изготовления деталей, называют
эскизами.
Эскизирование деталей с натуры наиболее удобно произво-
дить на миллиметровой бумаге. Соблюдать масштаб по ГОСТ
при эскизировании не требуется, но обязательно должна быть
выдержана пропорциональность между размерами отдельных
элементов детали (глазомерный масштаб) и проекционная
связь между видами. Для определения размеров детали, с кото-
рой снимается эскиз, пользуются масштабной линейкой, штан-
генциркулем, микрометром и т. д.
Знание чертежей, умение их читать и выполнять является
первоочередной задачей каждого рабочего.
§ 2. РАСПОЛОЖЕНИЕ ПРОЕКЦИЙ НА ЧЕРТЕЖЕ
Рабочие чертежи выполняют по способу прямоугольного про-
ектирования (рис. 36), который отличается простотой построения
и удобством измерений. Изображаемый предмет проектируется
94
на плоскость при помощи линий (лучей), перпендикулярных к
плоскости проекции. Эти линии при пересечении плоскостью про-
екции образуют точки, определяющие изображение, т. е. проек-
цию предмета на плоскость.
Для полноты представления о форме какого-либо предмета
его рассматривают со всех сторон. За основные плоскости про-
екции принимаются шесть граней куба (рис. 37, а). Основой
построения всего чертежа является вид
спереди, называемый главным видом,
который проектируется >на фронталь-
ной плоскости (рис. 37, б). Остальные
виды располагаются согласно ГОСТ
3453—59: с правой стороны от главного
вида — вид слева и слева — вид спра-
ва. Справа от вида слева помещается
вид сзади.
Вид сверху располагается под
видом спереди, а вид снизу —
над видом спереди.
Все виды находятся между собой в
проекционной связи. Число видов де-
тали должно быть наименьшим, но до-
статочным для представления по чер-
тежу формы детали и возможности на-
несения всех размеров. Детали с вза-
имно перпендикулярными осями
(рис. 38) изображают в трех проекци-
ях, что вполне достаточно для правиль-
ного и полного представления о них-
Рис. 36. Способ пря-
моугольного проекти-
рования
§ 3. ОФОРМЛЕНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
Масштабы. Отношение линейных размеров изображенной на
чертеже детали к действительным размерам этой детали в нату-
ре называют масштабом. Численный масштаб дает это отноше-
ние в виде дроби.
Чертежи деталей машин, а также их узлов нагляднее выпол-
нять в натуральную величину, однако это не всегда возможно.
При очень малых размерах деталей или, наоборот, при слишком
больших их изображение приходится увеличивать или умень-
шать, т. е. вычерчивать в масштабе. ГОСТ 3451—59 устанавли-
вает следующие масштабы: уменьшения (1 : 2, 1 : 5; 1 : 10; 1 : 20;
1 : 50) и увеличения (2: 1; 5: 1, 10: 1). На чертежах масштаб
обозначают таким образом: Ml : 1; Ml : 5, Ml : 2; М2 : 1 и т. п.
95
<Ц
6)
Рис. 37. Проектирование детали на шесть
плоскостей проекций:
а — расположение проекций детали на шести гранях
куба, б — совмещение проекций деталей в одной плоско-
сти, 1 — вид спереди,2 — вид сверху, 3 — вид слева, 4 —
вид справа, 5 — вид снизу, 6 — вид сзади
Рис. 38. Изображение детали
с взаимно перпендикулярными
осями
Линии чертежа. Все чертежи в машиностроении выполняются
линиями различного типа (ГОСТ 3456—59). Применяют семь
основных типов линий:
1 - сплошная основная;
2 сплошная тонкая;
3 сплошная волнистая;
4 штриховая;
5 —————— разомкнутая;
6 ------------ штрих-пунктирная тонкая;
7 • • — штрих-пунктирная утолщенная.
Сплошную основную линию применяют для изобра-
жения видимого контура предмета, контура вынесенного сечения,
видимых линий перехода, контура сечения, входящего в состав
разреза, и вынесенного сечения.
Сплошной тонкой линией выполняют контуры нало-
женного сечения, размерных и выносных линий и линий штрихов-
ки в сечениях и разрезах.
Сплошной волнистой линией обозначают обрывы и
разграничения вида и разреза.
Штриховой линией показывают невидимый контур
предмета, невидимые линии перехода, внутренний диаметр резь-
бы на стержне и наружный диаметр отверстия.
Разомкнутой линией обозначают сечения.
Штрих-пунктирной лилией выполняют осевые и цен-
тровые линии, линии сечений, являющиеся осями симметрии для
наложенных или вынесенных сечений.
Штрих-пунктирной утолщенной линией обозна-
чают на чертеже границы зон поверхности с различной термооб-
работкой или отделкой, контуры механизмов в их крайних и
промежуточных положениях и другие контуры вспомогательно-
го назначения.
Перечисленные линии имеют различную толщину, что облег-
чает чтение чертежей. Толщина b сплошной основной линии ви-
димого контура принимается равной от 0,6 до 1,5 мм; толщины
остальных линий даны в табл. 25.
Т а б л и ц а 25
Название линий в чертежах Соотношение толщин
Сплошная основная
Сплошная тонкая
Сплошная волнистая
b
Ь/3 и менее
Z?/2 и менее
7-1134
97
Продолжение табл. 25
Название линий в чертежах | Соотношение толщин
Штриховая От Ь/2 до 6/3
Разомкнутая От b до 1,5 b
Штрих-пунктирная тонкая Ь/3 и менее
Штрих-пунктирная утолщенная От 6/2 до 6/3
Соотношение толщин, приведенное в таблице, относится не
только к чертежам, выполненным конструктором в карандаше,
но и к чертежам, выполненным в туши (на кальках) и отпечатай’
ным на светочувствительной бумаге — синьках, по которым ра-
бочие изготовляют изделия.
Разрезы и сечения. Они применяются для изображения фор-
мы и размеров закрытых, т. е. невидимых, внутренних поверхно-
стей изделий.
Разрезом называют такое условное изображение предмета,
когда часть его, расположенная между глазом наблюдателя и
секущей плоскостью, как бы удалена, и изображается только то,
что лежит в самой плоскости и за ней. На внутренних поверх-
ностях обычно проставляют размеры и знаки обработки, необхо-
димые при изготовлении изделий, а места, где секущая плоскость
прошла по телу изделия, заштриховываются. Правила выполне-
ния разрезов и сечений изложены в ГОСТ 3453—59. В зависи-
мости от числа секущих плоскостей разрезы разделяются на про-
стые и сложные. Простым называют разрез, который получается
в результате рассечения детали одной секущей плоскостью. Про-
стые разрезы могут быть вертикальными, когда секущая пло-
скость параллельна вертикальной плоскости проекции
(рис. 39, а); горизонтальными, когда секущая плоскость парал-
лельна горизонтальной плоскости проекции (рис. 39, б) и на-
клонными, когда секущая плоскость наклонена к горизонталь-
ной плоскости проекции (рис. 39, в).
Сложным называют разрез, полученный в результате рас-
сечения детали двумя или более секущими плоскостями
(рис. 39, г). Сложный разрез, образованный несколькими парал-
лельными секущими плоскостями, называют ступенчатым
(рис. 39, б). Если одни рассекаемые части детали показываются
разрезанными, а другие — неразрезанными и линией разреза яв-
ляется нормальная контурная линия, то разрез называют услов-
ным (рис. 39, е).
Местным (частичным) разрезом называют разрез, который
необходим для выяснения устройства предмета только в его уз-
коограниченном месте. Он выделяется на виде сплошной волни-
стой линией (рис. 39, ж), которая не должна совпадать с каки-
ми-либо линиями изображения.
98
б) 'б)
Б-Б
разрезов детали:
Рис. 39. Условное изображение
а - вертикального, б — горизонтального, в — наклонного, г — сложного, О — ступенчатого,
е — условного, ж — частичного
Сечения отличаются от разрезов тем, что на них изображает-
ся только место разреза, т. е. то, что расположено в самой секу-
щей плоскости (рис. 40). Сечения могут быть вынесенными
(рис. 40, а, б) и наложенными (рис. 40, в). Вынесенные сечения
располагают в любом месте чертежа, а наложенные — на са-
мой проекции детали.
Разрезы и сечения облегчают чтение чертежей. предметов
сложной формы, имеющих внутренние полости с большим коли-
чеством невидимых частей.
Рис. 40. Виды сечений детали:
а, б — вынесенные, в — наложенные
Штриховка в разрезах и сечениях. Разрезы и сечения на чер-
тежах всегда выделяются штриховкой, которая различна для
различных материалов, применяемых в машиностроении
(рис. 41). Правила штриховки изложены в ГОСТ 3455—59.
Штриховка металлов производится прямымц параллельными
тонкими линиями, которые должны проводиться под углом 45°
к осевой линии или к линии контура, принимаемой за основную.
Наклон линии может быть как влево, так и вправо, но обяза-
тельно в одну сторону, если разрезы и сечения относятся к од-
ной и той Же детали. При изображении смежных сечений двух
деталей линии штриховки для одного сечения наносятся вправо,
а для другого — влево. Такую штриховку называют встречной.
Расстояние между прямыми линиями штриховки в зависимости
отЪеличрны площади штриховки принимается равным 2—10 мм.
Металлоконструкции с узкими площадями сечений, ширина
которых на чертеже до 2 мм, показываются зачерненными с
оставлением просветов между смежными сечениями.
Размеры на чертежах. Размеры на чертежах указываются
размерными числами и линиями. Размерные числа проставля-
ют над размерными линиями. Размеры обычно наносят на
чертежи независимо от их масштаба и без указания единиц из-
мерения (мм). Перед размерным числом, определяющим вели-
чину диаметра, ставится кружок, пересеченный прямой линией
под углом 75°.
Нанесение размеров на чертежах выполняется по ГОСТ
3458—59.
100
Дерево
В поперечном
сечении
В провальном
сечении
Стекло и Другие
прозрачные материалы
Обмотка электрических
катушек
Пластмассы, кожа
игп.д.
Узкие площади сечений шири-
нощ равной или менее 2мм
Рис- 41. Штриховка в разрезах и сечениях
Обозначение чистоты поверхности. Поверхность деталей ма-
шин обычно негладкая. Если ее рассматривать через микроскоп,
то можно заметить на ней неровности в виде выступов и впадин
или шероховатость. Чистота поверхности зависит от требуемого
качества поверхностей и вида обработки. Поверхности, к кото-
рым не предъявляются особые требования в отношении чистоты,
обозначают знаком ~ (ГОСТ 2789—59) и получают при изго-
товлении деталей и заготовок прокаткой, отливкой, штамповкой
и ковкой. ГОСТ 2789—59 устанавливает 14 классов чистоты по-
верхностей деталей, которые можно получить при обработке на
металлорежущих станках. Поверхности, у которых средняя вы
сота неровностей находится в пределах 0,16—0,32 мм, относятся
к первому классу чистоты. Второй класс чистоты допускает уже
меньшую среднюю высоту неровностей и т. д.
Числа, указывающие класс чистоты, ставятся справа от спе-
циального знака, имеющего вид равностороннего треугольника,
например
Надписи на чертежах. Все машиностроительные чертежи име-
ют надписи, содержащие сведения различного технического ха-
рактера, как, ъапример, указания по термической обработке,
надписи, определяющие необходимую чистоту поверхности дета-
ли, и т. д.
Часть сведений помещается в угловом штампе, находящемся
в правом нижнем углу чертежа. Форма надписи выполняется по
ГОСТ 5293—60. В графах такого штампа обычно указываются:
наименование детали, номер чертежа, марка материала, номер
ГОСТ, вес детали, масштаб и т. д.
§ 4. СБОРОЧНЫЕ ЧЕРТЕЖИ И ЧЕРТЕЖИ-СХЕМЫ
Чертежи, изображающие изделия, группы или узлы в собран-
ном виде и содержащие необходимые данные для их комплекто-
вания, сборки и контроля, называют сборочными.
ГОСТ 3453 — 59 допускает в сборочных чертежах некоторые
условности и упрощения. Например, предметы, изготовленные
из прозрачного материала, вычерчивают на сборочных чертежах
как непрозрачные, а составные части изделий и их элементы,
расположенные за прозрачными предметами, изображают как
видимые и г. д.
Сборочные чертежи позволяют определять следующее: как
устроено и работает изделие, какие детали и в каком количест-
ве входят в него, каким способом должны быть соединены дета-
ли между собой, какую обработку нужно произвести при сборке
узла и т. д.
Кроме сборочных чертежей, существуют еще чертежи-схемы.
Чертежом-схемой называют упрощенное изображение машин,
102
механизмов, установок и т. п., дающее представление об их об-
щем устройстве, связи и взаимодействии отдельных частей. На
схемах масштаб может строго не соблюдаться. Как правило, схе-
ма-не содержит конструктивных подробностей, а условные зна-
ки при составлении различных схем стандартизованы.
Чтобы не допустить брака в работе, нужно прежде всего ра-
зобраться в чертеже. Для этого сначала рассматривают надписи
углового штампа, а затем — изображаемые виды на чертеже.
Если в чертеже что-либо непонятно, то следует обратиться к ма-
стеру участка. Только после внимательного ознакомления с ви-
дами чертежа, размерами, материалом и т. п. можно приступить
к изготовлению или сборке изделий.
Контрольные вопросы
1. Дайте определения понятий чертежа и эскиза.
2. Расскажите об основных видах линий и их назначении.
3. Дайте определения понятий разрезов и сечений.
4. Что такое сборочные чертежи и чертежи-схемы?
ГЛАВА VI
СВЕДЕНИЯ ИЗ ТЕХНИЧЕСКОЙ МЕХАНИКИ
§ 1. ДВИЖЕНИЕ И ЕГО ВИДЫ
Перемещение одного тела относительно другого называют
механическим движением, а науку, изучающую законы этого
движения, — механикой. Основными показателями, определяю-
щими характер механического движения различных частей ма-
шины, станка, механизма во время их работы, являются прохо-
димые ими расстояния (путь), время, в течение которого было
пройдено это расстояние, а также направление движения. Меха-
ническое движение может быть равномерным и неравномерным,
поступательным и вращательным.
При равномерном движении тело в равные проме-
жутки времени проходит равные расстояния, а при неравномер-
ном, или переменном, движении — неравные расстояния в рав-
ные промежутки времени.
Поступательное движение характеризуется тем, что
все точки тела проходят одинаковые расстояния и описывают
параллельные траектории, например перемещение всех деталей
автомобиля (кроме колес) относительно земли.
При вращательном движении тело вращается во-
круг неподвижной оси, а все его точки, расположенные на том
или ином расстоянии от оси вращения, описывают окружности,
перемещаясь с различной угловой скоростью.
Рассматривая равномерное движение различных тел, можно
заметить, что одни тела проходят определенный путь быстрее,
другие — медленнее. Путь, пройденный телом за единицу време-
ни, называется скоростью. Следовательно, скорость при равно-
мерном движении находят делением пройденного телом пути на
затраченное время:
104
где S— путь, м, км\
t —время, мин., час.
За единицу скорости в механике принимают расстояние в 1 м,
пройденное телом за 1 сек. (м/сек) или за 1 мин. (м/мин), а
также расстояние в 1 км, пройденное телом за 1 час (км/час).
Если скорость изменяется в равные промежутки времени на
одну и ту же величину, то это движение является равноперемен-
ным (равноускоренным или равнозамедленным). Отношение из-
менения скорости к промежутку времени, в течение которого
произошло это изменение, называют ускорением. Ускорение мож-
но определить по следующей формуле:
где V\ и V2. — скорости движения на двух отдельных отрезках
пути, м/мин\
t\ и /2 — время перемещения ла двух отдельных отрезках
пути, мин.
Если движение тела равноускоренное, то путь и скорость на-
ходят по формулам:
5 = + , ^ = ^0 + at,
где 0О— начальная скорость, м/мин\
t — время, мин.;
vt—скорость при установившемся движении, м/мин\
а — ускорение, м/мин2.
Для равнозамедленного движения тела путь и скорость опре-
деляют по следующим формулам:
S = vQt — — — at.
Движение точки по окружности, при котором эта точка за
любые равные промежутки времени проходит равные дуги, на-
зывают равномерным вращательным движением. Линейная ско-
рость равномерного вращательного движения измеряется длиной
дуги /, пройденной точкой за единицу времени. В каждой точке
окружности линейная скорость направлена по касательной
окружности. Величину линейной скорости находят делением дли-
ны дуги I на время, за которое она пройдена точкой:
/
v — — .
t
105
Угловая скорость со равномерного движения точки по окруж-
ности есть величина, измеряемая угловым перемещением точки
в единицу времени:
(D = .
t
За единицу угловой скорости принимают угловую скорость
такого равномерного движения точки по окружности, при кото-
ром точка за одну секунду перемещается на угол в один радиан.
Окружная и угловая скорости связаны между собой следую-
щим соотношением:
v = uR.
Линейная скорость при равномерном вращательном движении
выражается так:
2-Rn -Rn
v =------=------,
60 30
а угловая скорость
В этих формулах линейная и угловая скорости вращательно-
го движения определяются при помощи чисел оборотов, сделан-
ных телом в минуту.
§ 2. ПОНЯТИЕ О СИЛЕ
Рис. 42. Действие силы при
подъеме груза
в точке А. Поэтому, чтобы
Чтобы изменить положение тела или скорость его переме-
щения, к телу необходимо приложить силу. В механике силой
называют меру действия одного тела на другое. Сила обычно
характеризуется величиной, направлением и точкой приложения.
Величина силы измеряется дина-
мометром и выражается чаще все-
го в килограммах.
Рассмотрим пример подъема
груза при помощи рычага
(рис 42). При подъеме груза ве-
личина силы зависит от расстоя-
ния до точки опоры С. Сила, при-
ложенная в точке Ль должна
быть больше силы, приложенной
определить действие силы на тело,
надо знать точку ее приложения к этому телу. Точка приложе-
ния силы имеет большое значение в технике.
Графический способ изображения сил. Силу можно изобра-
зить графически в виде линии со стрелкой в произвольно вы-
106
бранном масштабе. Стрелка указывает направление силы. Нача-
ло линии называют точкой приложения силы. На рис. 43 пока-
зано изображение силы, выражающей давление лежащего на
плите шарика. Точка приложения А заданной силы С нахо-
дится в месте касания шарика к плите. В этой точке действует
на плиту сила, равная весу шарика. Сила действует вертикаль-
но по прямой ВС. Прямую, на которой
лежит отрезок, изображающий силу, на-
зывают линией действия силы.
Правила сложения и разложения сил.
Силы, совместное действие которых мо-
жет быть заменено равнодействующей,
оказывающей на тело такое же действие,
что и заданная система сил, называют
Рис. 43. Графическое
изображение силы
A Pt С Pg D В_________________Pg
О — *---------°-----
fi^+Pg
Рис. 44. Сложение сил, направленных в
одну сторону
составляющими. Сложить силы — это значит майти равнодейст-
вующую. На рис. 44 показано сложение сил Р\ и Р2, направлен-
ных по одной прямой в одну и ту же сторону и приложенных к
телу в точках А и В. Если точку приложения В силы Р2 совме-
стить с точкой С, т. е. концом силы Рь то равнодействующая R
будет равна AD, или сумме сил Pi и Р2.
Сложение сил Pi и Р2 (Рг>Р1), направленных по одной пря-
мой в противоположные стороны, показано на рис. 45. Предста-
вим силу Р2 как сумму
двух сил, направлен-
ных в одну сторону. Си- _______£______
ла Р\=АС и сила, пред- С Р/ А В
ставленная вектором ------"°----° *"
BE, равны по величине, 4 ~Уп '
а так как эти силы име-
ют противоположное
Рис
направление, то они
взаимно уравновесятся.
Равнодействующей бу-
дет сила ED или Р = Р2—Р\.
45. Сложение сил, направленных в
противоположные стороны
Равнодействующая двух или нескольких сил,
направленных по одной прямой, равна по ве-
личине их алгебраической сумме.
Представим, что к телу приложены две силы Pi и Р2, линии
107
строенного на этих
Рис. 46. Сложение сил,
действующих под углом
действия которых пересекаются в точке О (рис. 46). Перенеся
силы Pi и Рг по линиям их действия и построив на векторах этих
сил параллелограмм, называемый параллелограммом сил, полу-
чим их равнодействующую R.
Равнодействующая двух сил, имеющих об-
щую точку приложения и действующих под
углом друг к другу, равна по величине и на-
правлению диагонали параллелограмма, по-
силах как на сторонах.
Такую равнодействующую назы-
вают геометрической (или вектор-
ной) суммой составляющих сил.
С изменением угла между силами
величина равнодействующей так-
же изменяется.
Действие, обратное сложению
сил, 1называют разложением силы
на составляющие. Чтобы разло-
жить силу .на две составляющие,
необходимо знать их линии дей-
ствия, которые пересекаются в
какой-нибудь точке, или величину и направление одной из состав-
ляющих сил.
Центр тяжести. При небольших размерах тела действующие
на его частицы силы тяжести могут быть приняты за параллель-
ные. В этом случае центр параллельных сил называют центром
тяжести. Следовательно, центр тяжести есть центр всех парал-
лельных сил, действующих на отдельные частицы тела.
Центр тяжести занимает определенное положение в теле, как
бы тело ни было повернуто относительно направления силы тя-
жести. Равнодействующая всех сил тяжести, действующая на
отдельные частицы тела, приложенная в центре тяжести, пред-
ставляет собой вес тела.
Каждое тело имеет свой центр тяжести. Например, центр
тяжести однородного стержня находится на его середине; центр
тяжести круга совпадает с его центром; центр тяжести площади
треугольника лежит в точке пересечения его медиан, а центр
тяжести шара — в его геометрическом центре.
Устойчивость равновесия. Положение тела считается устойчи-
вым, если тело возвращается в прежнее положение после того,
как оно было выведено из него какой-либо силой. Шар, подве-
шенный в одной точке, расположенной на одной вертикали с
центром тяжести, находится в устойчивом положении или .в по-
ложении устойчивого равновесия.
Положение называют неустойчивым, если тело, выведенное
из положения равновесия, не может быть возвращено своим ве-
сом в начальное положение.
108
Если точка опоры совпадает с центром тяжести, то тело
остается в покое в любом положении (например, шар, лежащий
на горизонтальной плоскости). Это положение называют безраз-
личным, или положением безразличного равновесия.
Момент силы. Момент силы характеризует вращательное
движение.
Если на брус, опирающийся на неподвижную опору в точке
С (см. рис. 42), положить груз Q, отстоящий от точки С .на рас-
стояние ВС, то брус начнет перемещаться против часовой стрел-
ки вокруг точки С.
Моменты сил, вращающих тело против часовой стрелки, ус-
ловно считают отрицательными, а моменты сил, вращающих
тело по часовой стрелке, — положительными. Чтобы сохранить
равновесие системы, необходимо к’ концу бруса, например в
точке А, приложить силу Р, направленную в сторону, противо-
положную направлению силы тяжести Q. Чем больше расстоя-
ние от точки приложения А до точки опоры С, тем меньшей дол-
жна быть величина силы Р для сохранения равновесия. Расстоя-
ния АС и ВС называют плечами. Обозначим плечо АС буквой
в. Произведение силы Р на плечо в называют моментом этой
силы относительно точки опоры. Для равновесия бруса необхо-
димо, чтобы алгебраическая сумма моментов всех действующих
сил относительно точки опоры равнялась нулю. Обозначим плечо
ВС буквой а, тогда Qa—Рв = 0.
Условия равновесия сил находят широкое применение при
расчете новых машин.
В технической системе за единицу измерения момента силы
применяют момент силы в 1 кге, имеющий плечо в 1 м.
Центробежная и центростремительная силы. При вращении
шарика, привязанного к нити, одновременно возникают центро-
бежная и центростремительная силы; при прекращении враще-
ния они исчезают. Сила, удерживающая шарик на окружности,
направлена вдоль нити к центру вращения и называется цент-
ростремительной. Силу, приложенную к нити, как противодей-
ствующую центростремительной, называют центробежной. Цент-
робежная и центростремительная силы обычно равны между
собой, но противоположно направлены.
В технике большую роль играет центробежная сила. Если
центр тяжести вращающихся деталей (подшипников и валиков)
смещен относительно оси, то величина центробежной силы мо-
жет превышать в десятки и сотни раз вес самого тела. В ре-
зультате этого подшипники и шейки у валиков износятся, что
приведет к поломке оборудования.
Центробежная сила может быть полезна для машин, напри-
мер, центрифуга предназначена для разделения сыпучих тел
при обогащении руд. При вращении центрифуги частицы с наи-
большим удельным весом располагаются на периферии, а ч'асти-
‘109
цы с меньшим удельным весом — ближе к оси вращения. В цент-
робежном насосе движение жидкости и необходимый напор соз-
даются за счет центробежной силы, получающейся при враще-
нии лопастного колеса в корпусе насоса.
§ 3. ТРЕНИЕ И ЕГО ЗНАЧЕНИЕ В ТЕХНИКЕ
В результате перемещения, одного тела по другому возникает
особая сила сопротивления, называемая силой трения. Трение
создает добавочное сопротивление в деталях машин, т. е. вред-
ное сопротивление. Трение широко используется в технике. Без
трения невозможны ни ходьба, ни езда по земле, на трении осно-
вано устройство различных тормозов в трамваях, вагонах и ав-
томобилях. Трение позволяет передавать движение от шкива
электродвигателя к шкиву станка при помощи ременной переда-
чи. Благодаря силе трения возможна прокатка металла, изго-
товление рельсов и т. д.
Трение бывает двух видов: скольжения и качения.
Трение скольжения возникает в тех случаях, когда при
движении одно тело скользит по другому. Примером такого тре-
ния является движение поршней в цилиндрах паровых машин,
поршневых насосах и т. д.
Трение качения бывает в тех случаях, когда одно дви-
жущееся тело катится по другому. Примером такого вида тре-
ния служат шариковые и роликовые подшипники.
Коэффициент трения. Сила трения при скольжении пропор-
циональна давлению одного тела на другое:
р =Ж
где f — коэффициент трения скольжения;
N— сила нормального давления.
Коэффициент трения зависит от материала трущихся тел, со-
стояния и свойств трущихся поверхностей.
§ 4. ПОНЯТИЕ О МЕХАНИЗМАХ И МАШИНАХ
Работа. При обработке металла на станках режущий инстру-
мент преодолевает силу сопротивления, создаваемую силами
сцепления между атомами металла, в результате чего совершает-
ся работа.
Работа — это величина, равная произведению силы на путь
перемещения тела по направлению силы:
А = PS кгс-м,
где Р — сила, кгс;
S — путь, м.
ПО
Мощность. Величины работы, выполненной различными дви-
гателями, недостаточно для сравнительной оценки этих двига-
телей, если неизвестно время работы. Поэтому в таких случаях
применяют особую величину — мощность. Мощностью называют
величину, измеряемую работой, совершенной в одну секунду.
Мощность определяют по формуле
N = — кгс-м сек,
t
где А — работа, кгс • м\
t — время, сек.
В технике за единицу мощности принимается 1 лошадиная
сила, равная 75 кгс-м!сек. В физической системе единиц за еди-
ницу мощности принят ватт (вт) и киловатт (кет). 1 квт=100 вт;
1 квт= 1,36 л. с.
Коэффициент полезного действия (к. п. д.). К. п. д. — это
отношение полезной работы, совершаемой какой-либо машиной,
к работе, затраченной на приведение машины в действие.
К. п. д. всегда меньше единицы, а полезная работа меньше
затраченной, так как некоторая часть затраченной работы рас-
ходуется на преодоление вредных сопротивлений. В зависимости
от вида энергии или потерь, учитываемых к. п. д., он может по-
разному называться, например коэффициент теплоотдачи, хо-
лостого хода и т. д.
Передачи. Они используются для объединения машин-двига-
телей и машин-орудий в единую рабочую систему и для регули-
рования режима работы машин-орудий. Передачи могут быть ре-
менными, фрикционными, цепными, зубчатыми и червячными.
Ременную передачу в основном применяют для пере-
дачи движения станку от электродвигателя. Различают переда-
чу плоскими и клиновыми (тексропными) ремнями. В последнее
время наибольшее распространение получили тексропные рем-
ни, изготовленные из прорезиненной ткани. Ременная передача
осуществляется благодаря использованию силы трения, возника-
ющей между ремнем и ободом шкива.
Фрикционная передача — это передача, при которой
поверхности касания деталей прижаты друг к другу с опреде-
ленной силой. Для увеличения коэффициента трения рабочих по-
верхностей дисков применяют прессованный картон, кожу, де-
рево, текстолит, фибру, резину, ферродо, ретинакс и другие
фрикционные материалы. Из таких материалов обычно изго-
товляют один из ободов диска, а второй — из стали или чу-
гуна.
Цепная передача — это передача, преимуществом кото-
рой является отсутствие проскальзывания между цепью и звез-
дочкой. Цепная передача может быть роликовой или шарнирной
и зубчатой или бесшумной.
111
Роликовые цепи представляют собой пластины со вставлен-
ными в них осями, на которых сидят ролики, сцепляющиеся с
зубьями звездочек. Эти цепи весьма прочны, однако быстро вы-
тягиваются и, следовательно, хуже начинают ложиться на звез-
дочки. Зубчатые цепи плохо переносят ударную нагрузку, но
работают спокойнее роликовых, почему и называются бесшум-
ными.
Зубчатая передача осуществляется при помощи зубча-
тых колес. Это наиболее распространенный вид передачи в ма-
шиностроении. Она обеспечивает высокую надежность в рабо-
те и постоянство передаточного отношения.
Червячная передача состоит из червяка и червячного
колеса, оси которых, как правило, Перекрещиваются под углом
90°. Такие передачи работают более плавно и бесшумно, чем зуб-
чатые.
< Передаточное отношение. Передаточным отношением назы-
вается отношение числа оборотов в минуту (или угловых скоро-
стей) двух валов, между которыми передается вращение, обозна-
чаемое буквой L
При вращательном движении один из двух валов — ведущий,
а другой — ведомый. Для обозначения передаточного отношения
ставится соответствующий индекс. Например, если передаточное
отношение взято как частное от деления числа оборотов в мину-
ту ведомого вала к числу оборотов ведущего вала, то
_ Wo _ П2
— --— --- *
<л>1 Пх
Если передаточное отношение представляет собой отношение
числа оборотов ведущего вала к числу оборотов ведомого вала,
то
; _ W1 _
— — —
1 ю2 П2
Такое отношение называют передаточным числом. Из приве-
денных формул вытекает следующая зависимость:
откуда
1 ' ;
*2,1 ~ ~ »
т. е. передаточные отношения от ведущего вала к ведомому и от
ведомого вала к. ведущему обратны друг другу. По этим фор-
мулам определяют передаточное отношение ременной, фрикци-
1’12
онной и зубчатой передачи. Передаточное отношение можно вы-
разить не только через числа оборотов, но и через наружные
диаметры:
D,
= — .
пх D2
Основными деталями передач являются оси, валы, опоры,
подшипники, муфты и т. п. Шкивы, зубчатые колеса насажива-
ются на оси и валы для осуществления вращательного движе-
ния. Ось является поддерживающей деталью и при работе ис-
пытывает только изгиб. Вал представляет собой звено механиз-
ма, передающего момент, и работает на изгиб и на кручение.
Ту часть вала или оси, которая лежит непосредственно на опо-
ре, называют цапфой, концевые цапфы — шипами, а промежу-
точные— шейками. Цапфа, передающая опоре осевую нагрузку
вала или оси, представляет собой пяту. Неподвижные опорные
части, на которые опираются шипы и шейки, называют подшип-
никами, а опоры для пят — подпятниками.
Различают подшипники скольжения и качения.
Соосные валы соединяют специальными устройствами —
муфтами. Простейшая муфта — это глухая, соединяющая два
отрезка вала в один. Компенсирующие муфты (жесткие или уп-
ругие) применяют, если возможна осевая подвижность двух сое-
диняемых муфтой валов. Отдельную группу представляют сцеп-
ные, кулачковые или фрикционные муфты, условия работы кото-
рых допускают разъединение и соединение валов без демонта-
жа. Выбор муфты определяется условиями ее работы.
§ 5. МЕХАНИЗМЫ ПРЕОБРАЗОВАНИЯ ДВИЖЕНИЯ
Для приведения в действие рабочих органов, а также для
преобразования одного вида движения в другой применяют кри-
вошипно-шатунные, кулачковые и другие механизмы.
Кривошипно-шатунный механизм. Такой механизм преобра-
зует вращательное движение в поступательное (рис. 47).
8-1 i34
Рис. 47. Кривошипно-шатунный механизм
передачи
ИЗ
В неподвижных подшипниках станины 1 вращается вал А с
кривошипом 2, связанный шарниром В с одним концом шату-
на 3. Другой конец шатуна при помощи шарнира С соединен с
ползуном 4, скользящим в неподвижных прямолинейных направ-
ляющих. Если кривошип вращается непрерывно, то ползун со-
вершает возвратно-поступательное движение. В течение одного
оборота кривошипа ползун совершает два хода — сначала в
одном, а затем в обратном направлении.
Кривошипно-шатунный механизм применя-
ют в паровых машинах, двигателях внутренне-
го сгорания, поршневых насосах и т. д. Поло-
жение кривошипа в точке BQ называют мерт-
/0 вой точкой. Для перехода кривошипом это-
го положения, когда он является ведущим зве-
JLi ном механизма, предназначен маховик — коле-
со с тяжелым ободом, насаженное на криво-
( 'Х шипный вал. Кинетическая энергия маховика
\ X A/V обеспечивает непрерывное движение криво-
\ ' КО т шипно-шатунного механизма.
у 21ху Кулачковый механизм. Такой механизм
L 'У прообразует вращательное движение в посту-
нательное (рис. 48) в различного рода автома-
С тах, металлорежущих станках и других маши-
Рис. 48. Кулачковый нах. Кулачок К, вращаясь вокруг оси О, сооб-
механизм передачи щает толкателю В возвратно-поступательное
движение.
Движение толкателя зависит от профиля
кулачка. Если профиль кулачка на участке к1пг представляет
дугу окружности, описанной из центра О, то толкатель на этом
участке будет неподвижным. Такой кулачковый механизм назы-
вают плоским.
Виды соединений. Всякая машина состоит из узлов. Детали
любого узла могут или перемещаться одна относительно другой,
или неподвижно соединяться друг с другом. Если при разборке
соединения детали сохраняют свои качества, то такое соедине-
ние называют разъемным.
К разъемным соединениям относятся резьбовые соединения,
осуществляемые винтами, болтами, гайками, шпильками и т. п.
Если при разборке соединения разрушаются какие-то части де-
талей, то такое соединение называют неразъемным.
Неразъемные соединения могут быть заклепочными и свар-
ными. Наиболее распространены сварные соединения.
Понятие о видах деформации. Действие сил при взаимодей-
ствии одной детали с другой вызывает в них деформации раз-
личных видов. Например, канат при подъеме грузов растягива-
ется, фундамент сооружения сжимается, а горизонтально уло-
114
женная балка изгибается под действием нагрузок и собствен-
ного веса.
Деформации бывают следующих видов.
Растяжение и сжатие (рис. 49, а, б). Такие деформа-
ции испытывают элементы мостовых ферм, стержень болта, затя-
нутого гайкой, наковальня молота и т. п.
Сдвиг или срез (рис. 49, в). Под действием равных и
противоположно направленных сил заклепка срезается по попе-
Рис. 49. Виды деформаций:
а — растяжение, б - сжатие, в — срез, г — кручение, д —
изгиб
речному сечению пгп; при чрезмерной затяжке гайкой болта
резьба может срезаться по цилиндрической поверхности его
стержня (по внутреннему диаметру резьбы) и т. п.
Кручение (рис. 49, г). Деформация кручения возникает
во всех деталях, имеющих крутящий момент, например в валах.
Изгиб (рис. 49, <?). Изгибу подвергаются балки различ-
ных видов под действием собственного веса, веса установлен-
ных на них деталей и усилий, которые к ним приложены.
Перечисленные виды деформаций называют простыми. Мно-
гие детали в машинах подвергаются одновременно нескольким
видам деформаций, например кручению и изгибу. Такие дефор-
мации деталей называют сложными.'
8* 115
Контрольные вопросы
1. Что называется силой и в чем сказывается ее действие?
2. Какие виды трения используются в машинах?
3 Что называется работой и мощностью и в чем их различие?
4. В каких машинах применяется кривошипно-шатунный механизм?
5. Перечислите виды деформаций.
Глава VII
СВЕДЕНИЯ ИЗ ЭЛЕКТРОТЕХНИКИ
Рис. 50. Простейшая
электрическая цепь
§ 1. ОСНОВНЫЕ ЗАКОНЫ ПОСТОЯННОГО ТОКА
Электрический ток — это направленное движение электричес-
ких зарядов по проводнику под действием сил электрического
поля.
Электрический ток может быть постоянным и переменным.
Постоянным называют такой электрический ток, который с
течением времени не изменяет своего направления и величины
при прохождении по замкнутой электрической цепи.
Электрическая цепь. Простейшая элект-
рическая цепь состоит из источника напря-
жения, потребителей и проводов, соединяю-
щих источник напряжения с потребителями.
Источниками напряжения могут быть галь-
ванические элементы, аккумуляторы, гене-
раторы и т. п., а потребителями — лампы
накаливания, электронагревательные и элек-
троизмерительные приборы, электродвигате-
ли и т. п.
На рис. 50 показана электрическая цепь,
состоящая из генератора электронагрева-
тельного прибора, амперметра, вольтметра
проводов. Источник электроэнергии — генератор, образует внут-
реннюю цепь, а все остальное — внешнюю цепь. При разрыве
электрической цепи действие электрического тока прекращается.
Сила и плотность тока. Сила тока определяется количеством
электричества, протекающего через поперечное сечение провод-
ника в одну секунду, т. е.
и соединительных
/=^,
t
где / — сила тока в цепи, а\
Q — количество электричества, я;
t — время, сек.
117
Отношение величины тока I к площади поперечного сече-
ния проводника s называется плотностью тока и обозначается
буквой д:
8 = —.
Площадь сечения проводников измеряется в мм2, поэтому
плотность тока имеет размерность а!мм2.
Сопротивление и проводимость. По способности проводить
электрический ток твердые вещества делятся на проводники, хо-
рошо проводящие электрический ток, и непроводники, или ди-
электрики. К проводникам относятся металлы и графит, к ди-
электрикам— резина, эбонит, слюда и т. д.
Все проводники имеют сопротивление и проводимость.
Сопротивлением проводника R называется препятствие, ока-
зываемое проводником электрическому току. Электрическое со-
противление проводника зависит от длины, поперечного сечения,
температуры и материала. Чем больше сопротивление провод-
ника, тем хуже он проводит электрический ток. Наибольшим со-
противлением обладает нихром (сплав никеля, хрома, железа и
марганца). Из нихрома изготовляют различные нагревательные
элементы.
Наименьшее сопротивление имеют серебро, медь и алюми-
ний, из них изготовляют проводники.
Проводимостью называется величина, обратная сопротивле-
нию проводника, т. е.
За единицу сопротивления (й — омега) принят ом. Сопро-
тивление в омах проводника длиной 1 м, сечением 1 мм2 назы-
вается удельным и обозначается р(ро).
Электродвижущая сила. Электродвижущей силой называют
энергию или работу, совершаемую источником тока, которая
устанавливает и поддерживает разность потенциалов, вызывает
электрический ток в цепи, преодолевая ее внешнее и внутреннее
сопротивление. В генераторах электродвижущая сила возникает
благодаря электромагнитной индукции, а в аккумуляторах — в
результате химических реакций. При холостом ходе генератора
электрический ток отсутствует, а электродвижущая сила равна
разности потенциалов на его зажимах. Электродвижущая сила,
как и напряжение, измеряется в вольтах, а энергия — в джоу-
лях.
Закон Ома. Закон Ома — это один из основных законов элек-
тротехники. Он выражает соотношение между электродвижущей
силой, сопротивлением цепи и током в ней. Согласно этому зако-
118
ну ток в цепи прямо пропорционален электродвижущей силе и
обратно пропорционален сопротивлению всей цепи:
где I — сила тока в цепи, а\
Е — электродвижущая сила источника энергии, в\
г — сопротивление внешней цепи, ом-,
rQ — сопротивление внутренней цепи, ом.
Для участка цепи закон Ома определяется по следующей
формуле:
Соединения приемников электроэнер-
гии. Приемники электрической энергии
могут включаться в электрическую цепь
последовательно, параллельно и смешан-
О?
fy но. При последовательном соединении
t— HZZ^H Н приемники электрической энергии вклю-
Рис. 51. Последова- ЯаюТСЯ В ЦеПЬ 0ДИН За ДРУГИМ <РИС' 51
тельное соединение Общее сопротивление такого соединения
равно сумме отдельных сопротивлений
приемников:
R — ^?1 + + /?3 + • • • + ^п-
Ток во всех последовательно соединенных приемниках одинаков,
т. е.
л_-=/2 = /3 = /.
При параллельном включении приемники электроэнергии
(рис. 52) создают для тока три пути, по которым он может про-
ходить. В этом случае ток /, приходящий к точке Л, равен сумме
токов, уходящих от этой точки:
— Л + Л + Л-
Общая проводимость этой цепи равна сумме проводимостей от-
дельных ветвей:
/? R2 /?з’
Смешанное соединение приемников электроэнергии представляет
собой совокупность последовательных и параллельных соедине-
ний (рис. 53).
Работа и мощность тока. Способность электрического тока
совершать работу называют энергией электрического тока. Ра-
бота источника энергии зависит от напряжения, силы тока и вре-
мени, т. е.
А = U-1-t,
где А— работа источника энергии, вт - сек или дж\
U—напряжение, в;
/ — сила тока, а\
t — время, сек.
Рис. 52. Параллельное сое-
динение потребителей
Рис. 53. Смешанное соединение
потребителей
Кроме того, работу измеряют в ватт-часах, гектоватт-часах и
киловатт-часах специальными приборами — счетчиками.
Мощностью .называют работу, произведенную в единицу вре-
мени. Ее подсчитывают по формуле:
Р = — -- U-I.
t
За единицу мощности принимают работу тока в один ампер под
напряжением один вольт за одну секунду. Такую единицу назы-
вают ваттом. Большие мощности измеряют в гектоваттах
(1 авт=100 вт) и киловаттах (1 кет =1000 вт). Соотношения
между электрическими и механическими единицами мощности
следующие: 1 л. с. =736 вт\ 1,36 л. с. =1 кет.
§ 2. ПЕРЕМЕННЫЙ ТОК
Электрический ток, величина и направление которого изме-
няются через равные промежутки времени, называют перемен-
ным. Такой ток условно обозначают знаком
Переменный ток в отличие от постоянного, который все вре-
мя имеет одно 1направление и не меняет своей величины
(рис. 54, а), изменяется по синусоидальному закону (рис. 54,6).
Получение однофазного переменного тока. Такой ток получа-
ют от генераторов переменного тока. Схема простейшего гене-
120
ратора переменного тока показана на рис. 55. Между полюсами
N и S электромагнита вращается стальной цилиндр Л, на кото-
ром укреплена рамка, изготовленная из медного изолированного
провода. Концы рамки присоединены к медным кольцам, изоли-
рованным от вала. К кольцам прижаты неподвижные щетки Щ,
которые соединены проводами с приемником энергии R. Враща-
ясь. рамка пересекает силовые линии магнитного поля, и в каж-
дой из ее сторон индуктируются электродвижущие силы, кото-
Рис. 54. Графики электрическо-
го тока:
а — постоянного, б — переменного
Рис. 55. Схема простейшего генера-
тора переменного тока
рые, суммируясь, образуют общую электродвижущую силу. При
каждом обороте рамки направление общей электродвижущей
силы изменяется на обратное, так как каждая из рабочих сторон
рамки за один оборот проходит под разными полюсами электро-
магнита. Индуктируемая в рамке электродвижущая сила также
изменяется, так как изменяется скорость, с которой стороны рам-
ки пересекают силовые линии магнитного поля. Следовательно,
при равномерном вращении рамки в ней будет индуктироваться
электродвижущая сила, периодически изменяющаяся по величи-
не и направлению.
Если неподвижные щетки Щ, соединенные проводами с при-
емником энергии /?, образуют замкнутую электрическую цепь, то
от источника энергии к приемнику будет протекать переменный
однофазный ток.
Время, в течение которого переменный ток совершает пол-
ный цикл изменений по величине и направлению, называется
периодом. Он обозначается буквой Т и измеряется в секундах.
Число периодов в секунду называется частотой переменного то-
ка. Она обозначается буквой f и измеряется в герцах.
121
Так как частота показывает число полных циклов изменения
тока по величине и направлению за одну секунду, то период оп-
ределяется как частное от деления одной секунды «а частоту:
т= — .
откуда
В технике применяют переменные токи различных частот.
В Советском Союзе все электростанции вырабатывают электро-
энергию переменного тока стандартной частоты — 50 гц. Этот
ток называют током промышленной частоты и используют для
снабжения электроэнергией промышленных предприятий и для
освещения.
Рис. 56. Схема простейшего
генератора трехфазного тока
Получение трехфазного переменного тока. В технике широкое
применение находит трехфазный переменный ток. Трехфазным
током называют систему, состоящую из трех однофазных токов
одинаковой частоты, сдвинутых по фазе на одну треть периода
друг относительного друга и протекающих по трем проводам.
Трехфазный ток получают в трехфазном генераторе, создающем
три электродвижущие силы, сдвинутые по фазе на угол 120° (од-
ну треть периода).
Простейший генератор трехфазного тока (рис. 56) представ-
ляет собой кольцеобразный стальной сердечник, на котором
расположены три обмотки: и до3, сдвинутые одна относи-
тельно другой по окружности сердечника на 120°. Сердечник с
122
обмотками называют статором генератора, а вращающийся
внутри статора электромагнит — ротором. По обмотке ро-
тора, называемой обмоткой возбуждения, проходит по-
стоянный ток, который намагничивает ротор, образуя се-
верный W и южный S полюсы. При вращении ротора созданное
им магнитное поле пересекает обмотки статора, в которых ин-
дуктируется электродвижущая сила. Величина электродвижущей
силы зависит от скорости, с которой магнитные силовые линии
ротора пересекают магнитное поле статора. Полюсы ротора и об-
мотки статора должны быть такими, чтобы в каждой из обмоток
статора возникала синусоидальная электродвижущая сила,
сдвинутая по фазе на 120°. Синусоидальные электродвижущие
силы трех обмоток статора изображены на рис. 57.
Если к каждой и? трех обмоток генератора подключить на-
грузку, то в результате получатся три цепи однофазного пе-
ременного тока. При равенстве сопротивлений потребителей
амплитуды токов в каждой цепи будут равны между собой,
а фазовые соотношения между токами будут такими же,
как и между электродвижущими силами в обмотках генератора.
Каждую из обмоток генератора вместе с внешней цепью, при-
соединенной к ней, принято называть фазой. Чтобы из этих не-
зависимых однофазных систем образовать единую трехфазную
систему, необходимо соединить отдельные обмотки. Обмотки ге-
нератора могут соединяться двумя способами: звездой и тре-
угольником.
При соединении звездой обмоток генератора и потребителей
(рис. 58) используются четыре провода вместо шести, необходи-
мых в несвязанной системе. Сокращение количества проводов
увеличивает экономичность устройства линии передачи энергии.
Три провода, идущие от обмоток генератора к приемникам/,//,
III, называют линейными, так как они составляют линию для пе-
123
редачи энергии от генератора к приемникам, а провод, соединяю-
щий общие точки фаз генератора и потребителя — нулевым. Ес-
ли нагрузки всех трех фаз одинаковы по величине, то суммар-
ный ток в нулевом проводе будет равен нулю. Однако равно-
мерную нагрузку можно обеспечить только при питании трех-
фазных потребителей, подключаемых и отключаемых всеми тре-
мя фазами одновременно. Однофазные потребители включаются
независимо один от другого, и при питании их не может быть до-
стигнута полная равномерность нагрузки фаз. В этом случае ну-
левой провод должен поддерживать равенство разных напряже-
ний потребителя.
Рис. 59. Соединение треугольником
Напряжение между линейными проводами называют линей-
ным, а напряжение на каждой фазе — фазным. При соединении
звездой линейный ток равен фазному, а фазное напряжение
меньше линейного в 1,73 раза при одинаковой нагрузке фаз.
Однофазовые приемники, .например лампы накаливания, мож-
но подключать непосредственно к линейным проводам на линей-
ное напряжение (рис. 59). Подобное соединение носит название
соединения треугольником. Это соединение применяется для
осветительной и силовой нагрузок. Фазы трехфазного генератора
соединяют следующим образом: конец первой фазы с началом
второй, конец второй с 1началом третьей и конец третьей с нача-
лом первой, а к точкам соединения фаз подключают линейные
провода. Поскольку фазы потребителя или генератора при та-
ком соединении подключаются непосредственно к линейным про-
водам, фазные напряжения их равны линейным, т. е. УФ={7Л,
а линейные токи по абсолютной величине больше фазных в 1,73
раза при одинаковой нагрузке фаз. Соединение треугольником
обмоток генераторов встречается довольно редко. В двигателях
трехфазного тока концы обмоток можно соединить звездой или
треугольником.
Мощность переменного тока. Основной величиной при элек-
124
трических расчетах является средняя, или активная, мощность.
Ее подсчитывают по формуле
ра = 7ф COS ср вт,
где /ф—фазное значение тока, а\
—фазное значение напряжения, в\
ср—угол сдвига фаз между током и напряжением.
При равномерной нагрузке трехфазной системы мощность,
потребляемая каждой фазой, одинакова, поэтому мощность всех
трех фаз
Л = 3/ф иф cos ср вт.
Активную мощность трехфазного переменного тока при сое-
динении звездой и треугольником определяют по формуле
Ра = 1,73 /л^/л cos ср вт.
Понятие о coscp и меры его увеличения. Кроме активной, в
электрической цепи существует реактивная мощность. Активная
и реактивная мощности составляют полную мощность S. Актив-
ная мощность Ра расходуется в цепи при выделении тепла или
совершении полезной работы, а реактивная Рр — при (нараста-
нии тока на создание магнитных полей в индуктивной части цепи.
При уменьшении тока цепь становится как бы генератором и
энергия, запасенная в ней, передается генератору, питающему
эту цепь. Такое передвижение энергии от генератора в цепь и
обратно загружает линию и обмотку генератора, обусловливая
лишние потери энергии в них. Отношение активной мощности к
полной называют коэффициентом мощности. Он показывает, ка-
кая часть полной мощности фактически потребляется цепью, и
подсчитывается по формуле
cos ср =
UI COS ср _ Ра
UI ~~ Т ’
Таким образом, коэффициент мощности для синусоидально-
го переменного тока и есть косинус угла сдвига фаз между то-
ком и напряжением.
Увеличение costp зависит от типа, мощности и числа оборо-
тов вновь устанавливаемых двигателей, увеличения их загруз-
ки и т. д.
Понятие о тепловом действии тока. При прохождении тока
по проводнику последний нагревается. Русский академик
Э. X. Ленц и английский физик Д. П. Джоуль одновременно и
независимо один от другого установили, что при прохождении
электрического тока по проводнику количество теплоты, выде-
лямое проводником, прямо пропорционально квадрату тока, со-
противлению проводника и времени, в течение которого ток про-
125
текал по проводнику. Это положение называется законом Джоу-
ля— Ленца и определяется по формуле*
Q = 0,24W,
где Q — количество теплоты, кал\
I — ток, протекающий по проводнику, а;
R— сопротивление проводника, ом\
t — время, сек.
Для предохранения электротехнических устройств от чрезмер-
ных нагревов в электрическую цепь включают легкоплавкие
предохранители, а для защиты электрических двигателей при
токовых перегрузках применяют тепловое максимальное реле.
Электроизмерительные приборы. Электроизмерительные при-
боры применяют для измерения различных электрических вели-
чин: тока, напряжения, сопротивления и т. д. По роду измеряе-
мой величины приборы делятся на амперметры, измеряющие
ток, вольтметры, измеряющие напряжение, омметры, измеряю-
щие сопротивление, и т. д. Электроизмерительные приборы со-
стоят из подвижной и неподвижной частей. К подвижной части
прибора прикреплена указательная стрелка, по которой ведется
отсчет измеряемой величины на неподвижной шкале. Сущность
работы электроизмерительного прибора состоит в том, что про-
ходящий через его катушки ток вызывает поворот подвижной
части прибора, в результате чего стрелка отклоняется на опреде-
ленный угол. Амперметры, измеряющие ток в электрической це-
пи, включают последовательно, а вольтметры — параллельно. По
роду тока приборы делятся на приборы, измеряющие только пе-
ременный или постоянный ток, и приборы, измеряющие и пере-
менный и постоянный ток.
Электроизмерительные приборы подразделяются на семь
классов точности: 0,1; 0,2; 0,5; 1; 1,5; 2,5 и 4. Цифра класса точ-
ности указывает величину основной допускаемой погрешности
прибора от его наибольшего показания. Так, если вольтметр рас-
считан на 150 в, а его класс точности 2,5, то при измерении напря-
жения этим прибором возможная погрешность составит 2,5%.
§ 3. ТРАНСФОРМАТОРЫ
Трансформатором называют статический электромагнитный
аппарат с двумя или более обмотками, предназначенный для
преобразования переменного тока одного напряжения в перемен-
ный ток другого напряжения. Трансформаторы применяют как
для повышения напряжения (повышающие), так и для его по-
нижения (понижающие).
Трансформатор (рис. 60) состоит из стального сердечника 1
и двух обмоток 2, 3, электрически не связанных между собой.
В таком трансформаторе передачу энергии от первичной обмотки
12G
к вторичной обеспечивает магнитный поток. Принцип действия
трансформатора основан на явлении электромагнитной индук-
ции. Обмотки изготовляют из изолированного медного провода.
В повышающем трансформаторе число витков вторичной обмот-
ки больше, чем в первичной, а в понижающем наоборот. Ту из
обмоток, которая присоединена к сети с более высоким напря-
жением, .называют обмоткой высокого напряжения, а ту, которая
присоединена к сети с меньшим «напряжением — обмоткой низ-
шего напряжения.
Рис- 60. Простейший трансформатор:
а — принципиальная схема: / — стальной сердечник, 2 — первичная
обмотка, 3 — вторичная обмотка; б — изображение в электрических
схемах
Наибольшее распространение получили силовые трансфор-
маторы, предназначенные для передачи и распределения элек-
троэнергии; индукционные регуляторы — для регулирования на-
пряжения в распределительных сетях; измерительные трансфор-
маторы— для включения в схемы измерительных приборов;
трансформаторы специального назначения, например сварочные,
печные и т. д.
§ 4. АСИНХРОННЫЕ ДВИГАТЕЛИ
Машину, преобразующую электрическую энергию в механи-
ческую, называют электрическим двигателем.
Электрические двигатели, в зависимости от того, какой ток
они потребляют, могут быть постоянного и переменного тока.
Двигатели переменного тока разделяются на синхронные, асин-
хронные и коллекторные.
127
Наибольшее применение находят асинхронные двигатели.
Асинхронные двигатели (рис. 61) состоят из двух основных
частей: статора 1 и ротора 2. Статор 1 представляет собой не-
подвижную часть машины, изготовленную из чугунного литья.
Внутри статора помещен сердечник из стальных пластин, кото-
рые изолированы друг от друга лаком, окалиной или тонкой бу-
магой для уменьшения потерь на вихревые токи. В продольных
пазах сердечника статора расположена трехфазная обмотка 3.
К статору прикреплены боковые крышки, в которых находятся
подшипники вала ротора. На
Рис. 61. Принципиальная схема
асинхронного электродвигателя
статоре установлен щиток, име-
ющий шесть зажимов, к кото-
рым присоединены 1начала и
концы обмоток каждой фазы.
Обмотки статора могут быть
подключены к трехфазной сети
звездой или треугольником.
Ротор — это подвижная
часть машины, изготовленная
из стального вала, на который
напрессован сердечник из
стальных пластин. В пазах сер-
дечника уложены медные
прутья 4, приваренные по бо-
кам к медным кольцам. Вид та-
кого ротора напоминает бе-
личье колесо. Асинхронные
двигатели, имеющие ротор в
виде беличьего колеса, называ-
ют двигателями с короткозамкнутым ротором. Обмотку корот-
козамкнутого ротора часто выполняют из алюминия, который за-
ливают в горячем состоянии в пазы ротора под давлением.
Работа асинхронного двигателя с короткозамкнутым ротором
основана па принципе использования вращающегося магнитного
поля, которое образуется в результате действия трехфазного то-
ка, поступающего в обмотку статора. При пересечении обмотки
короткозамкнутого ротора магнитными силовыми линиями в ней
индуктируются электродвижущая сила и ток. Ток ротора обра-
зует собственное магнитное поле, которое взаимодействует с по-
лем статора, в результате чего создается вращающий момент и
ротор 1начинает вращаться по направлению магнитного поля.
Ротор вращается с меньшим числом оборотов в минуту, чем маг-
нитное поле статора. Следовательно, число оборотов вращающе-
гося магнитного поля ротора не совпадает с полем статора. По-
этому такой двигатель называют асинхронным (несовпадаю-
щим). Отставание ротора от вращающегося магнитного поля на-
зывают скольжением.
128
Двигатель работает от сети с напряжением 220 и 127 в или
380 и 220 в. Асинхронные двигатели с короткозамкнутым рото-
ром широко применяют на многих машиностроительных заво-
дах.
Пуск двигателя и реверсирование. Самый простой способ пус-
ка двигателя — это прямое включение. При таком способе в об-
мотки статора подается полное напряжение, под действием ко-
торого двигатель начинает вращаться. При выключении двига-
теля обмотка статора отключается от сети. Направление враще-
ния ротора асинхронного двигателя зависит от направления вра-
щения магнитного поля статора. Реверсирование производится
переключением двух линейных проводов на статоре двигателя
магнитным пускателем. При этом магнитное поле будет вра-
щаться в обратную сторону, увлекая за собой ротор.
Понятие об электрическом приводе. Электрический двигатель
с аппаратурой управления, используемый для приведения в дви-
жение рабочей машины, -называют электрическим приводом. По
роду тока электрические приводы могут быть постоянного и пе-
ременного тока. Электрические приводы бывают трех типов:
групповые, одиночные и многодвигательные.
В групповом электроприводе от одного электродвигателя дви-
жение передается группе механизмов или машин через одну или
несколько трансмиссий. Групповой электропривод в настоящее
время почти не применяется, он уступил место одиночному и
многодвигательному электроприводу.
Для одиночного электропривода характерно то, что каждая
рабочая машина имеет электродвигатель.
В многодвигательном электроприводе отдельные рабочие ор-
ганы механизма для приведения их в действие снабжены элек-
тродвигателями. Многодвигательный электропривод применяется
в сложных металлообрабатывающих станках, металлургических
прокатных станах и т. п.
Современный электропривод широко автоматизируется. Для
управления электроприводом создано огромное количество раз-
личных видов полуавтоматической и автоматической аппарату-
ры (контакторы, реле, путевые выключатели и т. п.), различных
типов регуляторов и т. д.
Большую роль в автоматизации электропривода играют элек-
тронные и ионные приборы.
§ 5. ЭЛЕКТРИЧЕСКАЯ АППАРАТУРА
К электрической аппаратуре относятся рубильники, переклю-
чатели, реостаты, магнитные пускатели и т. д. Такая аппаратура
упрощает и облегчает работу людей, управляющих электриче-
скими машинами.
9—1134
129
Рубильники. Их применяют для включения и выключения
электрических установок с напряжением до 500 в и силой тока
до 6 а.
Рубильники бывают однополюсные, двухполюсные и трехпо-
люсные. Основными частями рубильников являются медные но-
жи, поворачивающиеся .на осях для соединения с пружинящими
контактами, к зажимам которых подключены провода от элек-
трической сети.
Переключатели. Так называют рубильники, имеющие верхние
и нижние пружинящие контакты, которые можно соединять с но-
жами. Для безопасного включения и выключения электрических
установок переключатели закрываются защитными кожухами.
Реостаты. Это приборы, позволяющие изменять сопротивле-
ние электрической сети. Реостаты делятся на пусковые и регули-
рующие.
Пусковые реостаты предназначаются для ограничения тока
во время пуска электрических двигателей.
Регулирующие реостаты служат для регулирования тока или
напряжения в цепи, в которую они включены. К регулирующим
реостатам относятся реостаты, предназначенные для регулиро-
вания тока возбуждения электрических машин с целью регули-
рования напряжения генераторов и скорости вращения электро-
двигателей.
Реостаты бывают металлические и жидкостные. Наиболее
часто применяют проволочные реостаты с плавным и со ступен-
чатым изменением сопротивления. Реостат с плавным измене-
нием сопротивления изготовляют со скользящим контактом. Та-
кой реостат представляет собой цилиндр, сделанный из изоля-
ционного материала. На цилиндр намотана проволока, облада-
ющая высоким удельным сопротивлением. Ее концы присоеди-
няются к зажимам. Если один из проводов электрической сети
подключен к движку, а другой — к одному из концов проволоки,
то сопротивление реостата будет зависеть от положения движка.
Магнитные пускатели. Эти приборы (рис. 62) наиболее ши-
роко применяют для дистанционного управления электрическими
двигателями трехфазного переменного тока. Основной частью
пускателей является контактор, имеющий встроенное термиче-
ское реле (ТР), которое защищает двигатель от перегрузок.
Кнопки для включения (КП) и отключения (КО) расположены
в месте, удобном для управления двигателем. Все элементы маг-
нитного пускателя монтируют на панели, сделанной из изоля-
ционного материала. Панель помещают в стальной ящик, кото-
рый после подключения контактов к сети и двигателю закрыва-
ют крышкой. Магнитные пускатели изготовляют для двигателей
мощностью не более 75 кет при напряжении не более 500 в.
Реле. Это приборы и автоматы, реагирующие на изменение
тока, напряжения, мощности и т. д. Они широко применяются в
139
автоматике и телемеханике. Более подробно о реле написано в
гл. X.
Предохранители. Они предназначены для защиты проводов
и приемников электрической энергии от теплового действия то-
ка при перегрузках и коротких замыканиях. Предохранители
разделяются на пробочные, пластинчатые, применяемые в ус-
тановках с напряжением до 500 в, и трубчатые, используемые
для больших напряжений. Предохранители включают в элек-
трические цепи последовательно. Если через предохранитель про-
ходит электрический ток, превышающий допустимую величину,
Рис. 62. Магнитный пускатель
то предохранитель плавится и размыкает цепь, в которую вклю-
чен, раньше, чем успеют нагреться провода и аппаратура. При
выборе предохранителей для электрической цепи, в которую
включаются электродвигатели, учитывают величину пускового
тока, превышающего рабочий ток примерно в 5—7 раз.
Заземление и электрическая защита. При повреждении изо-
ляции в электрических машинах, трансформаторах, выключа-
телях нетоковедущие металлические части оборудования оказы-
ваются под напряжением относительно земли. При соприкосно-
вении с таким оборудованием люди подвергаются поражению
током. Токи 0,05 а и более опасны для жизни человека, а токи
от 0,1 а и более — смертельны. Для предупреждения несчаст-
ных случаев применяют заземление или зануление. Защитное
заземление используют для снижения напряжения заземленных
частей оборудования до безопасного значения. Оборудование за-
земляют следующим образом: к корпусу двигателей присоединя-
ют стальную полосу, приваренную к очагу заземления. Очаг
заземления состоит из стальных труб или стержней, забитых в
землю на глубину 2—3 м и сваренных между собой стальными
прутьями.
9* 131
В четырехпроводных установках трехфазного тока напряже-
нием 380/220 и 220/127 в с .наглухо заземленной нейтралью вмес-
то защитного заземления применяют защитное зануление, т. е.
присоединение оборудования к нулевому проводу. Цель защит-
ного зануления— получить при пробое изоляции в поврежденной
фазе ток такой величины, который необходим для перегорания
плавкого предохранителя, срабатывания защиты (реле, автома-
та) и отключения поврежденного участка.
Контрольные вопросы
1. Дайте определение величины и плотности электрического тока.
2. Что такое сопротивление и проводимость?
3. Как осуществляются последовательное, параллельное и смешанное сое-
динения приемников электрической энергии?
4. Расскажите об электродвижущей силе и законе Ома.
5. Что такое переменный ток и как он получается?
6. Для каких целей служат трансформаторы?
7. Какими приборами измеряют силу тока, напряжение, мощность?
8. Как устроен и работает асинхронный двигатель?
9. Из каких приборов состоит электрическая аппаратура?
Глава VIII
ОБОРУДОВАНИЕ, ПРИБОРЫ И ПРИСПОСОБЛЕНИЯ
ТЕРМИЧЕСКИХ ЦЕХОВ
§ 1. КЛАССИФИКАЦИЯ ОБОРУДОВАНИЯ
Для нагрева стальных деталей при всех видах термической
и химико-термической обработки основным оборудованием яв-
ляются нагревательные нефтяные, газовые и электрические пе-
чи, ванны и агрегаты. Все оборудование термических цехов раз-
деляется на основное, дополнительное и вспомогательное.
К основihому относится оборудование, применяемое для
непосредственного выполнения технологических процессов тер-
мической обработки, которые связаны с нагревом и охлаждением
металла: печи, ванны, установки пламенной закалки, установки
ТВЧ, закалочные баки и т. д.
Дополнительное оборудование включает обору-
дование, используемое для операций, которые идут за закалкой
и отпуском: моечные машины и промывные баки, правильные
установки, дробеметные аппараты и т. д.
Вспомогательное оборудование состоит из уста-
новок для приготовления твердого и жидкого карбюризаторов,
газовых атмосфер, подъемно-транспортных машин, воздуходувок
и т. д.
Наиболее совершенным оборудованием термических цехов
являются автоматизированные и механизированные агрегаты,
представляющие собой комплекс оборудования, который пред-
назначен для выполнения технологических операций термиче-
ской и химико-термической обработки, включая контроль и
управление этими процессами.
Термические печи, применяемые в настоящее время в маши-
ностроительной промышленности, классифицируются по трем ос-
новным признакам: по технологическому, конструктивным осо-
бенностям и по источнику нагрева.
По технологическому признаку печи делятся в зависимости от
133
операций, для которых они предназначены в термическом цехе:
отжигательные, закалочные, цементационные, для азотирования
и отпускные. В зависимости от конструктивных особенностей
печи подразделяются .на камерные, периодические и непрерыв-
ного действия, а в зависимости от применяемой тепловой энер-
гии— на нефтяные, газовые и электрические.
§ 2. НЕФТЯНЫЕ НАГРЕВАТЕЛЬНЫЕ ПЕЧИ
Нагревательные пламенные печи, работающие на жидком
топливе, называются нефтяными. В качестве жидкого топлива
применяют мазут — остаток нефти после извлечения из нее бен-
зина, керосина, лигроина и минеральных масел.
Нефтяные печи в зависимости от конструкций подразделяют-
ся на камерные печи с неподвижным и выдвижным подом, мето-
дические, или непрерывного действия, муфельные и др.
Рис. 63. Нефтяная камерная печь с неподвижным подом
Нефтяные камерные печи с неподвижным подом. Схема та-
кой печи показана на рис. 63. Простая по конструкции, она
вместе с тем достаточно универсальна для выполнения таких
видов термической обработки, как отжиг, нормализация, закал-
ка и твердая цементация.
Печь состоит из каркаса /, изготовленного из листовой ста-
ли, и кладки 2. Под, свод и стенки печи выложены шамотным
кирпичом. Камера сгорания 4 находится под подом печи, что
способствует лучшему использованию тепла. Форсунка 3 уста-
навливается с торца печи. Заслонка печи 5 открывается при по-
134
мощи педального устройства 10. Горячие газы, образующиеся
при сгорании топлива, по вертикальному каналу 8 поступают в
рабочее пространство 7, омывают детали 11, уложенные на по-
ду 6 и, отдав свое тепло металлу и кладке печи, уходят в ды-
моход через горизонтальные каналы 9. Детали в печи нагрева-
ются в результате тепла, отдаваемого горячими газами, и тепла,
излучаемого .нагретыми стенками, подом и сводом печи.
Печь отапливается мазутом (расход 6—8 кг!час), поступаю-
щим через форсунки низкого давления.
Измерение и запись температуры в печи осуществляется элек-
тронным потенциометром ЭПД-17 с дисковой диаграммой.
Техническая характеристика
нефтяной камерной печи с неподвижным подом
Максимальная температура, °C............. 900
Производительность, кг/час...............35—40
Площадь пода, ж2.......................... 0,32
Такие печи применяют в индивидуальном и мелкосерийном
производстве для термической обработки деталей, различных
по форме, размерам, весу и маркам стали. Для удобства работы
и повышения производительности труда камерные печи иногда
монтируют в один каркас, т. е. получают двухкамерную печь с
горизонтальным расположением камер. Одна камера предна-
значена для подогрева деталей, другая — для окончательного
нагрева, причем каждая камера имеет свои форсунки.
Печи непрерывного действия. Пламенные печи, в которых
тепловой режим по зонам рабочего пространства является по-
стоянным, а 1нагреваемые детали непрерывно или с определенны-
ми интервалами перемещаются в печи, называют методическими,
или печами непрерывного действия. По сравнению с камерными
такие печи более производительны. Загрузка деталей и передви-
жение их в печи механизированы и производятся при помощи
специальных механических или гидравлических толкателей.
Схема универсальной нефтяной печи непрерывного действия
с толкателем, предназначенной для нормализации, закалки и вы-
сокого отпуска, изображена на рис. 64. Каркас печи 5 изготов-
лен из листовой стали и жестко скреплен швеллерными балками.
Стены 6 печи и топки выложены шамотным кирпичом.
Рабочий под 7 имеет длину 4500 мм и ширину 900 мм. Для
нагревания печи можно использовать не только мазут, но и га-
зы. Мазут подают в топки через шесть форсунок 8 низкого дав-
ления. Расход его составляет 8—12 кг/час на каждую форсун-
ку. Давление мазута у форсунки 1,0—1,5 ат, давление воздуха,
необходимого для горения, 500—600 мм вод. ст.
Температура рабочего пространства в печи может быть от
135
4
Рис. 64. Универсальная нефтяная печь непрерывного действия с толкателём
600 до 900° С. Температура регулируется автоматическими
тепловыми приборами в зоне нагрева и зоне выдержки.
Детали в печь загружают, используя поддоны, которые про-
талкиваются по зонам рычажным толкателем 2, укрепленным на
загрузочной части печи. Толкатель приводится в действие от
электродвигателя 1 мощностью 1 кет. Заслонки печи поднима-
ются и опускаются при помощи механизма 4, приводимого в
движение электродвигателем, который расположен на каркасе
печи.
Механизм подъема заслонок сблокирован с движением тол-
кателя. Производительность печи 200—250 кг!час.
При разжигании печей, работающих на мазуте, выделяется
большое количество копоти и дыма. Поэтому для пламенных пе-
чей целесообразно применять газообразное топливо (природные
и искусственные горючие газы), способствующее получению точ-
ного температурного режима и равномерному прогреванию ме-
талла.
§ 3. ГАЗОВЫЕ НАГРЕВАТЕЛЬНЫЕ ПЕЧИ
Газовые 1нагревательные печи отличаются от нефтяных толь-
ко способом подачи в печь топлива. В качестве топлива в дан-
ном случае применяют газ, подаваемый в печь инжекционными
горелками.
К газовым нагревательным печам относятся камерные с не-
подвижным подом и выдвижным подом, с вращающейся ретор-
той, муфельные непрерывного действия и т. д.
Общий вид современной универсальной газовой камерной пе-
чи с неподвижным подом показан на рис. 65, а. В такой печи
закаливают детали для автомобилей, тракторов и металлоре-
жущих станков, шарикоподшипниковые кольца и т. д. Кар-
кас 1 (рис. 65, б) печи сварен из листовой стали и выложен ша-
мотным и доломитовым кирпичом 3. Для уменьшения потерь
тепла между футеровкой и каркасом проложен листовой асбест
2. Печь снабжена четырьмя инжекционными горелками 6, ко-
торые работают на городском природном газе. Площадь пода
8 печи 0,9 м2. Рабочая температура в камере 900° С. Расход го-
родского природного газа 18—20 м?1час. Продукты горения от-
водятся с пода печи через каналы 9, расположенные в боковых
стенках.
Регулирование температуры автоматическое, осуществляемое
мембранным клапаном 7. Клапан управляется при помощи им-
пульса, поступающего от термопары через пирометрический при-
бор ЭПД-32 с пневматической приставкой. Давление воздуха
на пирометрическом приборе устанавливают редуктором в пре-
делах 1 —1,2 кгс!см2.
137
Фронтальный вид газовой
камерной печи показан на
рис. 65, в. К металлическому
каркасу печи при помощи бол-
товых соединений прикреплены
нижняя 10 и верхняя 11 чугун-
ные плиты. Заслонка 5 подни-
мается и опускается по направ-
ляющим при помощи пневма-
тического цилиндра 16. Пнев-
матический цилиндр (подъем-
ник) установлен на швеллерах,
приваренных к каркасу печи.
Шток цилиндра 15 соединен со
штангой 14, которая в свою
очередь соединяется при помо-
щи цепи 12, через ролики 13 с
заслонкой печи. Пневматиче-
ский цилиндр работает от воз-
душной сети давлением 4—5 ат.
Подъем и опускание заслонки
производятся путем поворота
трехходового крана. Произво-
дительность печи 40—45 кг!час.
Рис. 65. Камерная печь
а — общий вид; б — схема: 1 — каркас печи, 2 — листовой асбест, 3 — огнеупор
ные горелки, 7 — мембранный клапан, 8 — под, 9 — дымоход; в — вид с торца:
цилиндра, 16 — пневма
138
Камерные газовые печи с шаровым подом. В термических от-
делениях инструментальных и штампово-механических цехов для
термической обработки измерительного и режущего, инструмен-
та из углеродистых и легированных сталей, а также ковочных
и листоштамповочных штампов и приспособлений применяют га-
зовые печи с шаровым подом, (рис. 66). Печь работает на при-
родном газе, сгорающем в рабочей камере, расход газа 35—
40 м?1час. Площадь рабочего пода 1150X1900 мм2, высота рабо-
чего окна 520 мм. На под печи уложены четыре желобковые на-
правляющие 4, в которых находятся шары 5, изготовленные из
жароупорной стали. Шары и рельсы в рабочей камере печи зна-
чительно облегчают продвижение поддонов с деталями при за-
грузке и разгрузке печи. На загрузочном столе 2 поддоны уста-
навливают на шары и вручную при помощи стального крючка
направляют в рабочую камеру печи.
Печь снабжена инжекционными горелками 7. Детали в печи
нагреваются за счет теплового излучения стенок и свода печи.
Затлонка 1 поднимается и опускается пневматическим подъем-
ником через ролик 3. Температура в печи контролируется и ре-
гулируется автоматически при помощи мембранного клапана.
Термопару устанавливают в специальное отверстие 6, располо-
женное в кладке печи (сверху). Производительность печи при
закалке и нормализации около 250 кг!час.
с неподвижным подом:
ный кирпич, 4 — откидной рабочий стол, 5 — заслонка, 6 — инжекцион-
10, 11 — чугунные плиты, 12 — цепь, 13 — ролики, 14 — штанга, 15 — шток
тический цилиндр
139
Камерные газовые печи с выдвижным подом. Общий вид от-
жигательной печи с выдвижным подом показан на рис. 67, а.
На поде видна сварная конструкция мощного листоштампо-
вочного пресса после отжига.
Выдвижной под печи изготовлен в виде тележки на ко-
лесах, футерованной изоляционным и огнеупорным шамотным
кирпичом. Такое устройство пода позволяет загружать и вы-
гружать детали вне рабочего пространства печи при помощи мос-
Рис. 66. Камерная газовая печь с шаровым подом
тового крана. Отжигательные печи с выдвижным подом приме-
няют для отжига крупногабаритных и тяжелых станин, стального
литья, проката, искусственного старения чугунных отливок и вы-
сокого отпуска.
Новая конструкция газовой камерной отжигательной печи с
выдвижным подом показала на рис. 67, б, в. Печь предназначе-
на для отжига стального литья, бунтовой проволоки и искус-
ственного старения чугунных станин металлорежущих стал-
ков.
Под печи выполнен в виде выдвижной тележки 7. Печь с на-
ружной части 2 выложена строительным кирпичом, а с внутрен-
ней 3 — шамотом. Свод 11 печи изготовлен из специальных под-
весных шамотных кирпичей.
140
Под печи передвигается на колесах 10 по рельсам 9, про-
ложенным на полу цеха. Передвижение осуществляется при по-
мощи стального троса, соединенного с электродвигателем.
Печь обогревается природным газом, поступающим через 16
инжекционных горелок 6, которые расположены по обеим стен-
кам печи. Нижний ряд горелок находится на уровне пода, по-
этому продукты горения поступают ниже пода. Верхний ряд
горелок расположен таким образом, чтобы продукты горения
могли поступать под свод печи. Расход городского газа
11 м31час на одну горелку.
Из рабочей камеры дымовые газы отводятся через каналы S,
расположенные на уровне пола, по дымоходной трубе /. Печь
снабжена мощным вентилятором 4, который обеспечивает рав-
номерную циркуляцию атмосферы печи в ее пространстве. Из-
мерение температуры производится термопарами через отвер-
стия 5 и 12.
Печи с выдвижным подом могут иметь не только мазутное и
газовое отопление, но и электрическое.
Техническая характеристика
газовой камерной печи с выдвижным подом
Максимальная температура, °C... 650—850
Площадь выдвижного пода, м2 . . . . 27,6
Высота от уровня пода до свода, м . . 4,5
Вес садки металла, т................ 30
Механизированные печи с вращающейся ретортой. Такие
печи (рис. 68) применяются для газовой цементации и закалки
небольших деталей несложной формы и не требующих большой
глубины цементованного слоя.
Печь представляет собой футерованный металлический ци-
линдр 3, установленный на цапфы в горизонтальном положении.
Внутри цилиндра находится жароупорная литая реторта 4, яв-
ляющаяся рабочей камерой печи. Реторта вращается на опорных
роликах 8 при помощи червячной и цепной передач 7 от электри-
ческого двигателя 6 мощностью 0,85 кет. Опорные ролики укреп-
лены на торцовых плитах печи металлического каркаса.
В процессе цементации реторта, нагруженная деталями, не-
прерывно вращается, благодаря чему детали обтекаются на-
углероживающим газом или газовой смесью. Для того чтобы при
вращении реторты детали не скапливались в одном месте, внут-
ри реторты имеются небольшие продольные ребра. С загрузоч-
ной стороны реторта герметично закрывается крышкой 2 с фу-
терованным экраном. Цементующий газ подается в печь через
трубку 5, расположенную в задней стенке реторты. Отработан-
ный газ выводится по трубке 1 через крышку реторты, где под-
жигается.
141
Рис. 67. Камерная газовая печь с выдвижным подом:
а — общий вид, б — продольный разрез, в — вид с торца
Рис. 68 Печь для цементации с вращающейся ретортой
Печь обогревается городским газом при помощи инжекцион-
ных горелок. В качестве карбюризатора для цементации приме-
няют природный газ. Расход газа-карбюризатора — 3,0—
3,5 м?1час\ газа, необходимого для нагрева, — 60 м?1час.
Для ускорения науглероживания деталей и предохранения
их от забоин во время вращения печи в реторту засыпают 1,5—
2,0 кг мелких кусков древесного угля. Производительность печи
при глубине цементованного слоя 0,6—0,8 мм — 50 кг!час. Ско-
рость цементации в среднем не превышает 0,15—0,20 мм!час.
Цементируемые детали закаливают только после их подстужи-
вания до температуры 830—840° С.
При выгрузке цементируемых деталей печь при помощи ма-
ховика легко наклоняется и детали высыпаются в закалочный
бак, на дне которого находится железная сетчатая корзина. При
отсутствии на заводах цементующих газов или газовых смесей
детали в ретортных печах цементируют при помощи твердого
карбюризатора. Недостатками печей с вращающейся ретортой
являются неравномерная цементация и возможное образование
на деталях небольших забоин.
Техническая характеристика
механизированной печи с вращающейся ретортой
Максимальная температура, °C..............930
Максимальная загрузка печи, кг............200
Размеры рабочего пространства реторты, мм-.
диаметр ................................360
длина ...................................1324
Муфельные газовые печи непрерывного действия. В поточно-
массовом производстве, когда необходимо получить большое
количество деталей с одинаковой глубиной цементованного слоя,
применяют муфельные газовые печи непрерывного действия
(рис. 69) с периодической загрузкой деталей на поддоны
(рис. 70).
Поддоны с деталями передвигаются по рельсам при помощи
механического толкателя /, укрепленного на загрузочном кон-
це печи, который снабжен закалочным баком с механизирован-
ным столом для непосредственной закалки с предварительным
подстуживанием деталей после цементации. С входной стороны
печи установлена загрузочная камера 2, изготовленная из лис-
товой стали без футеровки. Внутри камеры находятся две газо-
вые горелки 3, при горении которых поглощается кислород воз-
духа и уменьшается сила вспышки газов, выходящих из цемен-
тационной рабочей камеры 6 при открывании заслонки 4 му-
феля.
Камера 6 представляет собой муфель 5, собранный из литых
секций с фланцами, которые укрепляются болтами и сваривают-
ся газонепроницаемым швом. Секции муфеля и болты крепле-
10-1134 145
ния изготовляются из жароупорной стали Х18Н25С2. Размеры
муфеля следующие: длина 7—8 м, ширина 0,82 м, высота 0,43 м.
В муфеле одновременно помещается 24 поддона; практически
эксплуатируется только 22 поддона. Это делается для того, что-
бы у разгрузочного конца печи всегда имелось свободное место.
Рис. 69. Муфельная газовая печь непрерывного действия
Рис. 70. Жароупорный поддон
На каждый поддон загружаются детали весом от 100 до
120 кг. Количество загружаемых деталей и порядок их укладки
зависят от формы деталей и их веса.
Разгрузочная камера 9 (камера подстуживания) имеет две
самостоятельные горелки и заслонку 11. От цементационной ка-
меры она отделяется герметической заслонкой 10 с гидравличе-
ским затвором. Наличие такой камеры позволяет подстуживать
146
детали с температуры цементации (930° С) до температуры за-
калки (820—840° С).
Как только поддон с деталями достигнет закалочной камеры,
его вытаскивают из камеры при помощи железных крючков 12,
устанавливают на механизированный стол, после чего вместе со
столом погружают в закалочный бак с маслом. Стол с деталями
опускают пневматическим подъемником. Муфельная печь обыч-
но отапливается городским природным газом при помощи 28 го-
релок, расположенных в шахматном порядке в два ряда с обеих
сторон муфеля. Печь может работать и на мазуте.
Температура внутри цементационной камеры контролируется
термопарами 7, установленными в трех зонах. Температура в
этих зонах поддерживается равной 920—940° С. Четвертая зона
является камерой подстуживания. Науглероживающий газ вво-
дится в муфель по трем отверстиям (вводам) S, расположенным
сверху, и одному — снизу муфеля.
Из муфеля отходящие газы направляются в гидравлический
затвор с тем, чтобы в муфель «е мог попасть наружный воздух,
окисляющий цементируемые детали. Затем отходящие газы вы-
водятся наружу и у входа из трубки поджигаются. Расход газа
карбюризатора 5—6 м21час, а газа, необходимого для отопления,
60—70 м?1час. Производительность цементационной печи при глу-
бине цементованного слоя 1,0—1,2 мм 200—250 кг!час, продол-
жительность процесса при этом составляет 7—8 час.
Одним из основных недостатков муфельных печей является
наличие в них дорогостоящих жароупорных литых муфелей,
эксплуатационная стойкость которых невысока — не более 10—
12 месяцев. При повышении температуры цементации до 1000 ° С
стойкость муфеля становится еще ниже. Значительные трудности
вызывает также смена муфеля при ремонте печи. Для удаления
старого, прогоревшего муфеля и замены его новым приходится
почти полностью разбирать кладку печи. Эти недостатки пол-
ностью устраняются при использовании современных безмуфель-
ных агрегатов.
Безмуфельные цементационные агрегаты. Такие агрегаты
применяют для газовой цементации и нитроцементации автомо-
бильных и тракторных зубчатых колес, валов, червяков руля,
деталей металлорежущих станков и сельскохозяйственных ма-
шин. Безмуфельные агрегаты могут быть однорядными и двух-
рядными.
Однорядный безмуфельный агрегат конструкции Московского
автозавода им. Лихачева показан на рис. 71. В таком агрегате
все процессы — нитроцементация, т. е. насыщение поверхности
стальных деталей углеродом и азотом; закалка; промывка и от-
пуск — полностью автоматизированы.
Агрегат представляет собой плотно сваренный каркас, внутри
которого расположена цементационная безмуфельная печь 5, за-
10* 147
Рис- 71. Безмуфельный однорядный агрегат:
а — общий вид
грузочная камера 2, закалочная камера 8 с механизированным
баком для изотермической закалки, моечная машина 9, отпуск-
ная печь 10 и система рольгангов 11. Цементационная печь за-
футерована динасовым огнеупорным кирпичом. Для предохра-
нения кладки печи от науглероживания рабочая камера печи вы-
ложена доменным кирпичом. Нагрев цементационной печи
производится при помощи радиационных нагревательных труб
/7, изготовленных из жароупорной хромоникелевой стали, вер-
тикально расположенных в рабочей камере. Это позволяет полу-
чать наибольшее количество тепла при сжигании в них природ-
ного газа и вынимать их для смены в случае прогара. В верхней
и нижней частях трубы имеется песчаный затвор 16. Горелки 18
помещаются в нижней части трубы, причем так, что продукты
горения в трубе движутся вверх благодаря тяге самой трубы.
При выходе из трубы продукты сгорания (газы) попадают в ко-
роб 15. Из этого короба они отсасываются вентилятором, рас-
положенным на своде печи. Такой вентилятор способствует пе-
ремешиванию в печи науглероживающей атмосферы.
Кладка печи, герметиза-
ция стального каркаса и
песчаные затворы у труб
обеспечивают постоянное
давление в печи — 20 мм
вод. ст. Уплотнение со сторо-
ны загрузки достигается не-
прерывным гидравлическим
прижимом стенок загрузоч-
ной тележки через асбесто-
вую прокладку к раме за-
грузочной камеры, а со сто-
роны выгрузки — масляным
затвором на выходе хобота f3
в масляный закалочный бак.
Температура в печи на дли-
не 2/з камеры для цемента-
ции должна быть 930± 10° С,
для нитроцементации —
850—860° С. У разгрузочно-
го конца печи она понижает-
ся до 800—820° С. Перед
выгрузкой печь охлаждают,
чтобы довести концентрацию
углерода до нормы и полу-
чить наименьшее количество
аустенита в цементованном
слое после непосредственной
закалки в горячем масле.
В)
Рис. 71. Безмуфельный одно-
рядный агрегат (продолжение):
б — вид с торца
149
Карбюризатором служит газовая смесь, состоящая из эндо-
термического газа, аммиака и городского природного газа. На-
пример, при нитроцементации зубчатых колес коробки передач
грузового автомобиля ЗИЛ-164 на глубину слоя 0,5—0,6 мм для
стали 25ХГМ эндотермического газа расходуется 21 м^час, ам-
миака — 2,5 м31час и городского газа — 1,5 м31час.
Нитроцементация производится на жароупорных поддо-
нах 13, причем в печи одновременно находится 17 поддонов.
Агрегат работает следующим образом. Платформа загрузки
подает поддон с деталями на загрузочный стол 12. Стол, дви-
гаясь вверх, направляет поддон с деталями в разгрузочную каме-
ру. После этого поднимаются передняя и задняя заслонки 4.
С разгрузочной стороны в печь подается толкатель-лопата и од-
новременно с этим поднимается стол в закалочном баке. Толка-
тель 1 двигает поддон с «сырыми» деталями, а толкатель-лопата
с поддоном цементованных деталей отходит назад и ставит их
на стол масляного бака. Затем заслонки опускаются и стол с де-
талями погружается в масляный бак с закалочным маслом, име-
ющим температуру 170° С, где и происходит их изотермическая
закалка. Далее закаленные детали подаются в бак с холодным
маслом и из него в моечную камеру, а платформа загрузки воз-
вращается в исходное положение. После этого заслонки моечной
машины и отпускной печи поднимаются, поддон с отпущенными
деталями идет на рольганг, а на его место устанавливается под-
дон с промытыми деталями. Затем заслонки моечной машины и
отпускной печи опускаются, начинается новый цикл цементации.
Для автоматического управления технологическим процессом
агрегат оборудован двумя системами последовательного дейст-
вия гидравлических механизмов и регулирования температуры.
Система последовательного действия гидравлических механи-
змов состоит из электрических часов со звонком для выдержи-
вания интервала времени, толкателя поддонов с деталями, ко-
нечных выключателей и реле, гарантирующих заданную после-
довательность работы механизмов. После звукового сигнала, по-
лученного от контактных часов, механизмы работают без вме-
шательства термиста. Поддоны с деталями загружают через
каждые 12—15 мин.
Производительность безмуфельных агрегатов при нитроце-
ментации автомобильных зубчатых колес составляет 350 кг/час.
§ 4. ВИДЫ ТОПЛИВА ДЛЯ НАГРЕВАТЕЛЬНЫХ ПЕЧЕЙ
Топливо состоит из двух частей — горючей (углерод и водо-
род) и негорючей или балласта (азот, зола, сера и влага). Основ-
ными показателями топлива являются теплотворная способность
и температура воспламенения.
150
В качестве жидкого топлива для нагрева термических печей
используют мазут, состоящий из 86% углерода, 12,8% водорода
и 1,2% балласта. Теплотворная способность мазута 9500—10 500
ккал1м?.
Мазут подается в топочное пространство печей при помощи
распиливающих форсунок низкого давления. Процесс сжигания
мазута включает распиливание, тепловое разложение, сме-
шение полученных продуктов с воздухом, зажигание смеси и ее
горение.
В целях пожарной безопасности резервуары с мазутом разме-
щают вне цеха, мазут поступает к термическим печам по трубо-
проводу. Давление мазута в трубопроводе и форсунках должно
быть 1,5—2,5 ат. На трубопроводах, подающих мазут к несколь-
ким печам, устанавливают промежуточные вентили, при помощи
которых в случае аварии или пожара можно быстро выключить
отдельные участки трубопровода и прекратить подачу мазута в
печь. Мазутопровод окрашивают в коричневый цвет с черными
полосками, воздухопровод — в синий и газопровод — в желтый.
Лучшим видом топлива для термических печей является газо-
образное. Оно удобно в транспортировке, улучшает санитарно-
гигиенические условия труда рабочих термических цехов и по-
зволяет создавать надежную автоматику для регулирования тем-
пературы в печах.
Газообразное топливо разделяется на естественное и искус-
ственное. К естественному виду топлива относятся природные
газы, обычно выделяемые из мест залегания нефти, угля или
торфа, а к искусственному виду — коксовый, доменный, светиль-
ный и генераторный газы, получаемые при переработке камен-
ных углей или древесины. Характеристика газов приведена в
табл. 26. Газы могут гореть только при добавлении к ним опре-
деленного количества воздуха. Наименьшее количество воздуха,
при котором возможно горение, называют нижним пределом го-
рючести, а наибольшее — высшим пределом горючести. Напри-
мер, для метана нижним пределом горючести является 5%, а
верхним—15% воздуха.
Для сжигания жидкого и газообразного топлива в терми-
ческих печах применяются форсунки и горелки.
Форсунки представляют собой приборы для распыления
жидкого топлива, необходимого для его более полного сгорания.
Мазутная форсунка (рис. 72) работает следующим образом.
Через двухдюймовое отверстие прямой трубы 1 поступает воздух
от вентилятора или воздухопровода. Внутри трубы 1 расположе-
на труба 2 меньшего диаметра, по которой поступает мазут.
Воздух, выходящий из форсунки с большой скоростью, подхва-
тывает струю мазута, распыляя ее на мельчайшие капельки. По-
дача мазута регулируется вентилем 3, а подача воздуха — за-
движкой.
1')1
Таблица 26
Метод получения, химический состав и теплотворная способность газов
Название газа Метод получения Химический состав, % Наименьшая теплотворная способность газа, ккал/м3
СО, со СН, и другие углеводо- роды с н п т Но N-i Но
Доменный Газификация топлива 10,5 28 0,3 — 2,7 1 58,5 1 । 1000
Коксовый Сухая перегонка топлива 2,3 6,8 22,5 1,9 57,5 7,8 0,4 3900
Генераторный То же 4,5 25 2,0 0,2 13 55,3 — 1300
Светильный » 6,0 16 20 10 25 23 — 4500
Грозненский Попутный газ нефтяного месторож- дения 1,0 — 49,0 47,0 — 3,0 — 15 200
Бакинский То же 11,0 1 85,0 4,0 — — — 8500
Саратовский Выделение из газоносных пластов земли 0,2 0,2 94,3 2,3 1,8 1,2 — 8600
Куйбышевский То же 0,8 — 75-80 8—10 — 11-13 — 8500
Дашавский » 0,2 0,3 97,4 0,5 0,2 1,4 — 8500
Ставропольский » 0,7 0,2 96,5 1,0 — 1,6 — 8800
Ухтинский » 0,2 — 93,0 1,2 — 5,6 — 8500
Рис. 73. Инжекционная горелка
Давление у форсунок обычно низкое— 1000 мм вод. ст.
Кроме форсунок, для сжигания газообразного топлива ис-
пользуют газовые горелки. Основное назначение таких горелок
заключается в подготовке смеси газа и воздуха и в создании
направления газовоздушной смеси в рабочее пространство печи.
Наибольшее распространение получили инжекционные го-
релки (рис. 73). Такие горелки работают следующим образом.
Газ под давлением вытекает из сопла 5 в смеситель 4 и через
кольцевую щель между газовым соплом и смесителем подсасы-
вает воздух из атмосферы цеха. Шайба 6 для регулирования
воздуха находится на расстоянии 10—15 мм от смесителя и пере-
мещается по ниппелю 7. Такую шайбу используют только при
розжиге и гашении горелки. Двигаясь по цилиндрической ча-
сти смесителя, газ перемешивается с воздухом и образует газо-
воздушную смесь, готовую для горения. В расширяющейся части
смесителя скорость газовой смеси уменьшается, а статическое
давление увеличивается. Под таким давлением газовоздушная
смесь сначала поступает в горелочное сопло 1 горелки, располо-
женное перпендикулярно оси смесителя, а затем через отвер-
стие — в керамический туннель 8, где происходит ее сгорание.
Проба газовоздушной смеси берется из патрубка 2, закрытого
пробкой 3. Производительность горелки Регулируется краном,
установленным на газопроводе перед горелкой.
Рис. 74. Радиационная труба с горизонтальным расположением:
1 — горелка, 2 — труба, 3 — эжектор
Для сжигания газа и нагрева термических печей в настоящее
время применяют радиационные, или излучающие, трубы
(рис. 74). Камерой сгорания газа является труба, которая на-
154
гревается и излучает через свои стенки тепло. Трубы монтиру-
ются в рабочем пространстве печи горизонтально. Горение в
трубе происходит при постоянном количестве газа и если необ-
ходимая температура в печи достигнута, то при регулировании
температуры подачу газа не уменьшают, а выключают горелки.
При понижении температуры горелки снова включают. Эжек-
тор 3 устанавливают на одном конце трубы 2, а горелку 1 — на
другом. Чтобы создать разрежение в трубе и засосать воздух в
горелку, в эжектор подают воздух низкого давления.
Горизонтальную радиационную трубу (рис. 75) применяют в
безмуфельных цементационных агрегатах. На наружной поверх-
Рис. 75. Радиационная труба с впадинами
ности 4 трубы для создания вихревых центров делают небольшие
впадины 2. Вихревые центры ускоряют смешивание газовой сме-
си с дополнительно нагнетаемым воздухом 3, в результате чего
происходит более быстрое и полное сгорание топлива. На конце
трубы установлена горелка 1.
§ 5. ТЕХНИКА БЕЗОПАСНОСТИ ПРИ РАБОТЕ НА НЕФТЯНЫХ
И ГАЗОВЫХ ПЕЧАХ
Безопасность при работе на нефтяных и газовых термических
печах в основном обусловливается степенью механизации произ-
водственных процессов, состоянием оборудования, соблюдени-
ем технологии и строгим выполнением правил техники безопас-
ности.
Приступая к работе на нефтяной печи, термист должен убе-
диться не только в ее исправности, но и в исправности форсу-
нок, мазуто- и воздухопровода. Перед растопкой горячей печи
следует открыть шибер дымохода и продуть печь сжатым возду-
хом. Разжигают печь следующим образом: сначала открывают
кран для подачи воздуха, а затем — кран для подачи мазута.
В качестве факела удобно пользоваться смоченной маслом или
мазутом тряпкой, укрепленной на длинной стальной рукоятке.
Категорически запрещается смачивать тряпку керосином или
155
бензином. При пуске печи нельзя стоять против форсунки и смот-
реть в топочную камеру, так как это может привести к ожогу
лица и рук. Во время работы необходимо следить за устойчивым
горением форсунок и не оставлять работающую печь без над-
зора.
При внезапном прекращении подачи мазута или воздуха, при
неисправности форсунки, а также по окончании работы нужно
перекрыть мазутный вентиль и закрыть задвижку.
Работая на газовых печах термист должен быть особенно вни-
мательным, так как природные и искусственные газы взрыво-
опасны и содержат отравляющие вещества. Поэтому термисты
допускаются к работе на газовых печах только после окончания
обучения по специальной программе.
При пуске печи, а также при приемке и сдаче смены необхо-
димо осматривать газопровод горелки и проверять манометром
давление газа в газопроводе. Давление газа должно быть
5000—6000 мм вод. ст. Если оно будет равно 2000 мм вод. ст., то
розжиг печи следует прекратить. Печь можно разжигать только
при открытой заслонке и после продувки печи сжатым воздухом.
Порядок розжига газовой печи такой же, как и нефтяной, т. е.
сначала подается воздух, потом газ. Затем факел подносится к
кратеру горелки и постепенно открывается газовый кран. Как
только газ загорится, медленно открывают воздушную шайбу и
добавляют газ до полного открытия газового крана у горелки.
Убедившись, что горелка горит устойчиво, нужно переходить к
розжигу последующих горелок. При внезапном прекращении
подачи газа необходимо быстро перекрыть вентиль горелки и
газопровода, открыть кран продувной свечи, сообщив при этом
о случившемся мастеру или старшему по смене. Если печь пере-
стает работать, надо закрыть газ и воздух поочередно на всех го-
релках. На инжекционных горелках сначала завертывают воз-
душную шайбу, а затем перекрывают газ и общую задвижку на
газо- и воздухопроводе.
Природные и искусственные газы бесцветны и не имеют запа-
ха. Чтобы лучше распознавать присутствие газа в помещениях
при утечке, газу придают резкий запах искусственным путем
(одоризация). Для этого на распределительной станции в поток
городского газа впрыскивают сильно пахнущее вещество — этил-
меркаптан.
Газ легко воспламеняется даже от искры. Газовое пламя сле-
дует гасить немедленным выключением подачи газа к месту го-
рения. Небольшое газовое пламя можно погасить сырой мятой
глиной. Тушить пламя водой или песком не следует, так как газ
легко проходит через эти материалы и продолжает гореть на их
поверхности. В процессе работы на тепловых агрегатах тер-
мист должен быть очень внимательным и начинать работу только
в исправной одежде, головном уборе, рукавицах и в очках.
156
§ 6. ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ НАГРЕВАТЕЛЬНЫЕ ПЕЧИ
Электрические нагревательные печи по конструктивным осо-
бенностям и степени механизации подразделяются на камерные,
шахтные, барабанные, карусельные, толкательные с пульсирую-
щим подом и конвейерные печи, закалочные и цементационные
агрегаты непрерывного действия, а также на установки, исполь-
зуемые при нагреве ТВЧ.
Рис. 76. Камерная электрическая печь Н-15
Камерные электрические печи. У таких печей в отличие от
пламенных нефтяных и газовых рабочее пространство не имеет
дымохода и вентиляции. В качестве источника тепла применяют
электрическую энергию. Рабочая камера нагревается при по-
мощи нагревательных элементов, изготовляемых из высоко-
омных хромоникелевых сплавов или карборунда.
Электрические печи надежно заземляются путем приварки
заземляющей пластинки к ножке печи. Для включения, выклю-
чения и регулирования температуры печи служит щит управле-
ния. Температура печей контролируется автоматическим прибо-
ром— электронным потенциометром ЭПД-17.
Электрические печи в зависимости от мощности и размеров
выпускают пяти типов серии Н.
Камерная электрическая печь Н-15 (рис. 76) предназначена
для термической обработки стальных деталей из конструкцион-
157
них сталей и рассчитана на длительную работу при температуре
до 950° С. Печь представляет собой металлический каркас 1 пря-
моугольной формы. Рабочая камера 2 выложена огнеупорным
шамотным кирпичом 3. Для уменьшения тепловых потерь и за-
щиты термиста от теплового излучения у наружных стен и над
сводом печи имеются теплоизоляционная засыпка 8 и слой изо-
ляционного кирпича 6. Нагревательные элементы 5 изготовлены
в виде проволоки сечением 4,5 мм и расположены в боковых
стенках и на поду печи. Для предохранения нагревательных
элементов от повреждений и замыканий служит подовая шамот-
ная плита 7. Сверху, в своде печи находится термопара 4. Для
наблюдений за нагревом деталей в заслонке имеется смотровое
окошко 9. Заслонка поднимается при помощи механизма от пе-
дали. Для безопасной работы на электропечах при загрузке и
разгрузке заслонка имеет электроблокировку. Если заслонку от-
крыть, то ток автоматически отключается.
Техническая характеристика
камерной электрической печи Н-15
Мощность, кет.................................15
Максимальная температура, °C.................950
Производительность, кг!час....................50
Размеры рабочего пространства, мм:
ширина ...................................300
длина.....................................650
высота ...................................250
Для закалки инструмента, изготовленного из быстрорежущей
стали, применяют электрические печи с двумя вертикально рас-
положенными камерами (рис. 77). Печь представляет собой кор-
пус с регулирующим трансформатором, встроенным в огнеупор-
ную стойку, и снабжена контрольным щитком с автоматическим
регулятором температуры. Размеры верхней и нижней рабочей
камеры одинаковы. Нижняя камера имеет максимальную темпе-
ратуру (950° С) и служит для подогрева инструмента. Верхняя
камера предназначена для окончательного нагрева под закалку
на температуру 1350° С. Нижняя камера нагревается нагрева-
тельными элементами, изготовленными из обычных хромонике-
левых сплавов, которые расположены в двух боковых стенках и
на поде. На поде нагревательные элементы перекрываются огне-
упорными плитами.
Нагревательными элементами в верхней камере служат кар-
борундовые или селитовые стержни, установленные горизонталь-
но на своде печи. Такое расположение стержней обеспечивает
свободную радиацию (излучение) тепла в рабочее пространство
печи и ускоряет нагрев металла. В процессе работы карборундо-
вые стержни окисляются, в результате чего повышается их удель-
ное электросопротивление. Для сохранения первоначальной мощ-
ности стержней печь снабжена ступенчатым трансформатором.
158
Рис. 77. Общий вид двухкамерной
электрической печи
Рис. 78. Шахтная электропечь Ш-35
По мере увеличения сопротивления стержней повышают напря-
жение на клеммах трансформатора. Температура в камерах ре-
гулируется и контролируется автоматическими приборами.
Печь имеет две опрокидывающиеся открывающиеся вручную
дверцы, которые противовесно сбалансированы прижимами. Ка-
меры могут работать независимо друг от друга, поэтому печь
используют для термической обработки быстрорежущих, кон-
струкционных углеродистых и низколегированных инструмен-
тальных сталей, а также для пайки резцов.
Шахтные электрические печи. Нагревательные электрические
печи с вертикальным расположением камеры нагрева называют
шахтными. По тепловому режиму и методам загрузки они подоб-
ны камерным печам. Загрузка и разгрузка таких печей механи-
зирована, что позволяет использовать их при различных видах
термической обработки. Шахтные печи обозначают буквой Ш
и цифрами, указывающими на мощность печи.
Закалочная шахтная печь Ш-35 (рис. 78) предназначена для
нормализации и улучшения коленчатых валов, осей, винтов,
шпинделей и других деталей, имеющих большую длину. Печь
представляет собой каркас /, изготовленный из листовой стали и
огнеупорной кладки, которая выполнена из шамотного кирпича.
Рабочая камера 2 имеет прямоугольное сечение. Нагреватель-
ные элементы 3 расположены в боковых стенках печи по секци-
ям. Для более удобной и быстрой смены нагревательных элемен-
тов при ремонте в печи имеются специальные проемы, которые
закрываются кирпичом и крышкой 9. Печь закрывается футеро-
ванной крышкой 7 из двух половин, раздвигаемых при помощи
рычажного механизма 4. Для обеспечения плотного закрытия
крышка снабжена противовесами 5.
Температура в печи должна быть не более 950° С. Она изме-
ряется в двух или трех зонах при помощи термопар 8, располо-
женных во всех зонах.
Детали в печи нагревают в вертикальном, подвешенном со-
стоянии, что значительно уменьшает их деформацию. Для под-
вешивания деталей в крышке печи имеется отверстие 6. Печь
монтируют в углублении кирпичного или бетонного фундамента
с таким расчетом, чтобы выступающая над полом часть не пре-
вышала 500—600 мм.
Техническая характеристика шахтной электропечи
Ш-35
Мощность, кет.............................. 35
Максимальная температура, °C.................950
Производительность, кг!час...................125
Размеры рабочего пространства печи, мм:
ширина.....................................300
длина .....................................300
глубина ..................................1200
160
Более мощные шахтные электрические печи имеют глубину
рабочей камеры до 4000 мм.
Для закалки протяжек из быстрорежущей стали применяют
высокотемпературные шахтные электрические печи Г-65 и Г-69.
По конструкции эти печи такие же, как и печи Ш-35, но вместо
хромоникелевых нагревательных элементов они имеют карборун-
довые нагреватели (их 24), устанавливаемые в трех зонах на
двух противоположных стенах. Печи Г-65 монтируют в одной
линии с печами Ш-35. Таким образом, печь Ш-35 предназначена
для подогрева протяжек до 850—950° С, а печь Г-65 — для окон-
чательного нагрева до 1280—1300° С.
Для устранения обезуглероживания и окисления поверхности
инструмента в нагревательную печь Г-65 подают нейтральную
или восстановительную атмосферу.
Шахтные цементационные электрические
п е ч и. В индивидуальном и серийном производстве большое при-
менение получили стационарные шахтные цементационные печи
с электрическим обогревом, применяемые для газовой цемента-
ции. Выпускают шесть типов таких печей, отличающихся друг от
друга мощностью и размерами.
Цементационная электрическая печь Ц-105 (рис. 79) пред-
ставляет собой металлический каркас 5 цилиндрической формы,
внутренняя часть которого (шахта) выложена шамотным кир-
пичом. Внутри шахты в трех зонах расположены литые электри-
ческие нагреватели 8. Нагреватели подвешены на неподвижных
жаропрочных крючках, которые закреплены в кирпичной клад-
ке. Такое крепление электрических нагревателей позволяет по-
лучать не только необходимую температуру по всему рабочему
пространству печи, но и высокую эксплуатационную стойкость
нагревателей.
Внутри нагревательной камеры установлена реторта 6, изго-
товленная из жароупорного сплава, в которую загружаются жа-
роупорные корзины 7 с деталями.
Загрузка и выгрузка корзин с деталями механизирована и осу-
ществляется при помощи кран-балок или электротельферов с мо-
норельсом. Печь закрывается металлической крышкой 3 с тепло-
вой изоляцией, поднимаемой электродвигателем 4. Для переме-
шивания газовой атмосферы в реторте служит вентилятор /,
установленный на валу электродвигателя 2. Избыточное давление
в реторте измеряется U-образным манометром.
Крышка печи имеет два отверстия: одно для подачи карбюри-
затора, другое для выхода отработанного газа. Чтобы отработан-
ный газ не оставался в атмосфере цеха, его при выходе из трубки
поджигают. Расход газа контролируется градуированным рота-
метром.
Цементацию в шахтных печах, можно вести и жидкими кар-
бюризаторами: осветительным керосином, синтином. бензолом и
11-1134 ' 161
Рис. 79. Шахтная цементационная электриче-
ская печь Ц-105:
а -- общий вид верхней части печи с механизмом
подъема, б — схема печи
6)
пиробензолом, подаваемыми в реторту печи в виде капель. Под
действием высокой температуры эти капли испаряются и созда-
ют науглероживающую атмосферу. Жидкий карбюризатор по-
ступает в реторту из железного бачка емкостью 8—10 л по рези-
новому шлангу через капельницу, которую специально устанав-
ливают в крышке печи.
Техническая характеристика шахтной электропечи
Ц-105
Мощность, кет................................105
/Максимальная температура, °C................950
Максимальная единовременная загрузка, кг . . 500
Рабочие размеры реторты, мм:
диаметр ..................................600
глубина .................................1200
Размеры печи, мм:
диаметр .................................1870
высота .................................. 3050
Для высокотемпературной цементации при 970—1050°С при-
меняют шахтные безмуфельные печи ШЦН-65. В этих печах
вместо жароупорной реторты используют специальную камеру,
выложенную огнеупорным кирпичом.
Шахтные электрические отпускные печи. Такие
печи применяют для высокого отпуска. На рис. 80 показана схе-
ма шахтной отпускной электропечи ПН-32.
Печь имеет цилиндрическую форму и состоит из стального
кожуха внутренняя часть которого выложена шамотным кир-
пичом 2. На боковых стенках шахты на специально встроенных
полках расположены нихромовые электрические нагреватели 3
в виде спирали. Внутри шахты установлена жароупорная ретор-
та 4 с деталями. Снизу печи находится вентилятор 5 с жаро-
прочными лопастями, вращаемый при помощи электродвига-
теля 6 и предназначаемый для перемешивания атмосферы печи.
Крышка печи выложена огнеупорным кирпичом и имеет песча-
ный затвор. Отпуск деталей производится в железных дырчатых
корзинах, которые загружают и разгружают при помощи элект-
робалок или электроталей.
Техническая характеристика шахтной отпускной электропечи
ПН-32
Мощность, кет.................................32
Максимальная температура, °C.................650
Производительность, кг!час...................280
Размеры рабочего пространства, мм:
диаметр ..................................500
глубина....................................650
Барабанные электрические печи. Такие печи применяют для
нагрева под закалку шариков и роликов подшипников качения,
штифтов, гаек и других небольших деталей. Барабанная печь
11* 163
Рис. 80. Шахтная отпускная электрическая печь
ПН-32
Б-70 (рис. 81) представляет собой металлический кожух, вну-
три которого имеется рабочая камера, выложенная шамотным
кирпичом. С торцов печи расположены чугунные плиты. В ра-
бочей камере горизонтально установлен муфель, отлитый из жа-
роупорного сплава. Муфель вращается при помощи электродви-
гателя через коробку передач, установленную у разгрузочной
стороны печи. Муфель обогревается при помощи нихромовых
электрических нагревателей, расположенных на боковых стенках
и на поду рабочей камеры.
Рис. 81. Барабанная электрическая печь Б-70
Печь работает следующим образом. В бункер 2 загружают
детали; из него, если открыта задвижка 1, они попадают в бара-
бан 3 с загрузочным ковшиком 4. Как только барабан начинает
вращаться, ковшик захватывает детали, находящиеся в нижней
части барабана, и пересыпает их в лоток муфеля. Вращающиеся
внутри муфеля витки шнека передвигают детали вдоль зоны
нагрева. В разгрузочной части муфеля нагретые до 830—850°С
детали сбрасываются по трубе 5 в масляный бак, где они и за-
каливаются. Закаленные детали из масляного бака выгружа-
ются шнековым транспортером 6.
Техническая характеристика
барабанной электропечи Б-70
Мощность, кет............................... 70
Максимальная температура, °C................900
Производительность, кг!час .................160
Рабочие размеры муфеля, мм:
диаметр .................................310
длина ..................................2100
165
В настоящее время на некоторых шарикоподшипниковых за-
водах шарики и ролики закаливают в специальных агрегатах
ОКБ-128. Такие агрегаты состоят из барабанной печи Б-70, мо-
ечной машины шнекового типа и барабанной отпускной печи, в
которой шарики и ролики обогреваются горячим воздухом, по-
ступающим через калорифер от вентилятора. Длина агрегата
11,6 м.
Толкательные печи с пульсирующим подом. Такие печи пред-
назначены для нагрева под закалку подшипниковых колец, бол-
тов, шпилек, стержней, втулок роликовых цепей, пластин и дру-
гих небольших деталей.
Детали в печах с пульсирующим подом передвигаются по жа-
роупорному наклонному лотку, который, начиная от эксцентри-
кового механизма, периодически их встряхивает. Механизм
пульсации работает следующим образом. Подвижный под печи,
изготовленный из жароупорной стали, получает от механизма
пульсации периодические (через 6—7 сек.) толчки.. В результа2
те таких толчков детали передвигаются по поду, проходя через
зону нагрева, (нагреваются до заданной температуры и через изо-
лированный от атмосферного воздуха люк сбрасываются в мас-
ляный бак. Поверхность деталей после закалки получается чи-
стой и не окисленной.
Техническая характеристика
толкательной печи с пульсирующим подом
Мощность, кет .............................. 160
Максимальная температура, °C.................. 850
Производительность, кг!час ................. 250
Размеры рабочего пространства, мм:
ширина .................................. 670
длина .................................. 2460
высота ...................................320
Конвейерные электрические печи. В термических цехах мас-
сового производства, где обрабатываются однородные детали,
большое распространение получили высокопроизводительные
печи с горизонтальным расположением конвейеров. Детали под
закалку загружаются с одного, а выгружаются с другого конца
печи уже нагретыми до температуры закалки. Передвижение де-
талей в печи осуществляется конвейерной лентой, натянутой на
два барабана или на звездочки. Ленты можно изготовлять в
виде плотно собранных штампованных или литых звеньев (пан-
цирный конвейер), штампованных пластин, укрепленных на це-
пях (пластинчатый конвейер), сплетенных из нихромовой прово-
локи (сетчатый конвейер) и т. д.
Промышленность выпускает несколько типов конвейерных
закалочных печей различной мощности.
Конвейерная закалочная печь К-70 (рис. 82) представляет
собой герметический каркас, изготовленный из листовой стали.
166
Рис. 82. Конвейерная закалочная электрическая
печь К-70:
а общий вид, б - продольный разрез
Рабочее пространство печи выложено шамотным кирпичом.
Между каркасом и кладкой проложен термоизоляционный слой.
Нагревательные элементы расположены на боковых стенках и
на поду печи под конвейером.
Конвейер печи изготовлен из панцирной ленты, на краях ко-
торой имеются борта, предохраняющие детали от падения при
движении конвейера. Лента передвигается при помощи электро-
двигателя ведущего барабана, расположенного у разгрузоч-
ного конца печи. Ведомый барабан находится у загрузочного
конца печи. Скорость движения конвейерной ленты можно изме-
нять в пределах 0,02—0,21 м!мин.
Печь имеет две зоны: подогрева (800—820° С), нагрева и вы-
держки (840—850° С). При движении конвейера детали нагре-
ваются до температуры закалки и у разгрузочного конца печи
через люк, закрытый от воздуха, поступают в закалочный
бак.
Под действием нагрузки закаливаемых деталей конвейерная
лента растягивается от нагрева и расширяется. Для постоянно-
го натяжения ленты печь снабжена натяжным механизмом с
грузом.
Техническая характеристика
конвейерной закалочной печи К-70
Мощность, кет............................ 70
Максимальная температура, град . . . 900
Производительность, кг!час............... 120
Скорость движения конвейерной ленты,
м!мин .............................. 0,042—0,21
Рабочие размеры, мм:
ширина .............................. 400
длина .............................. 2050
высота............................... 415
Конвейерные печи для светлой пайки и отжига. Для светлой
пайки деталей и отжига применяют конвейерные печи с защит-
ной отмосферой. Печь для светлой пайки автомобильных дета-
лей и деталей домашних холодильников (рис. 83) состоит из
герметического металлического каркаса, камеры нагрева, в ко-
торой расположены электрические нагреватели 13, и охлади-
тельного коридора 11. Охладительный коридор представляет со-
бой камеру с двойными стенками, между которыми циркулирует
холодная вода. Доступ к нагревателям во время ремонта осу-
ществляется через разгрузочный тамбур 10. Детали в печи пе-
редвигаются сетчатым конвейером 3. Привод 2 конвейера нахо-
дится на загрузочной, а натяг — на разгрузочной стороне. За-
щитный газ в печи обеспечивает получение деталей после отжи-
га и пайки с чистой, без окалины поверхностью. Газ подается
в камеру нагрева через отверстия 12, расположенные по обеим
сторонам печи.
168
1?.
Рис 83. Конвейерная электрическая печь для светлой пайки и отжига:
1 — прижим, 2 — приводной барабан. 3 — жароупорный сетчатый конвейер, 4 — водоохладительный экран, 5 — вытяжной
зонт, 6 — заслонка, / --форкамера, Я — отверстие для термопар, 9 — песчаные затворы, 10 — разгрузочный тамбур, 11 —
охладительный коридор, 12 - ввод для газа, 13 — электрические нагреватели
Рабочая температура в печи должна быть при отжиге 850—
920° С и при пайке 1050—1150° С. В качестве газовой атмосферы
применяют эндотермический газ, очищенный от углекислого газа
и водяных паров. Выходящий из печи газ через форкамеру 7
соединяется с кислородом воздуха и сгорает. Для отсасывания
продуктов сгорания установлен вытяжной зонт 5.
Рабочее пространство загрузочного окна регулируется за-
слонкой 6, отлитой из жароупорного сплава. Между форкаме-
рой и местом загрузки, около приводного барабана, находится
защитный экран 4 с водяным охлаждением. Нихромовая сетка
прижимается к барабану прижимом 1 и передвигается в рабо-
чей камере печи по жароупорным направляющим. Скорость дви-
жения сетки регулируется электроприводом конвейера.
Температура в печи регулируется и контролируется автома-
тически термопарами, установленными на своде печи в отвер-
стии 8. Для уменьшения потерь тепла печь имеет песчаные за-
творы 9.
Техническая характеристика
конвейерной электропечи светлой закалки и пайки
Мощность, кет................................ 90
Максимальная температура, °C............... 1150
Производительность, кг)час.............. 30—200
Размеры рабочего пространства, мм:
ширина .................................. 600
длина................................... 4140
высота .................................. 595
Закалочные баки. Охладительные среды, например вода, во-
дяные растворы солей и щелочей, минеральные масла, .находят-
ся в резервуарах, называемых закалочными баками.
В термических цехах применяют механизированные и неме-
ханизированные закалочные баки.
Механизированные баки выпускают с индивидуаль-
ным охлаждением закалочной жидкости при помощи змеевиков
и с централизованной подачей от станции. На рис. 84, а показан
общий вид, а на 84, б — схема конвейерного закалочного бака
ЗБ-900К. Жидкость в баке охлаждается при помощи трубчатых
охладителей 7, а перемешивается в зоне закалки при помощи
пропеллера 2, приводимого в движение от электродвигателя 1.
Конвейерная лента 3 в зоне закалки сначала движется горизон-
тально, затем под углом 30—40°. Лента приводится в движение
от электродвигателя 4, через редуктор 6 и храповой механизм 5.
Из закалочной печи нагретые детали поступают на ленту конвей-
ера бака и, медленно поднимаясь по ней, равномерно охлажда-
ются. Размеры бака с конвейером следующие: ширина 1280 мм,
длина 4960 мм, высота 3020 мм. Емкость бака 5 м3.
Механизированные закалочные баки обычно монтируются
в линии с конвейерными закалочными печами.
170
К не меха визированным относятся баки, которые не
имеют специальных устройств. Они изготовляются из листовой
стали и могут иметь самые различные размеры и емкости — до
нескольких десятков литров кубических метров. Иногда при-
меняют сдвоенные баки —для воды и масла. Баки большой вы-
соты углубляют в землю с таким расчетом, чтобы высота над
6)
Рис. 84. Конвейерный закалочный бак ЗБ-900К:
а — общий вид, б — схема
уровнем пола равнялась 900—1000 мм. Закалочные баки быва-
ют без охлаждения закалочной среды и с охлаждением. Охлади-
тельные среды охлаждаются тремя способами: при помощи опу-
щенных в бак змеевиков, по которым циркулирует холодная
вода, механическим перемещением лопастных винтов и центра-
лизованной подачей из охладительной установки. Например, за-
калочное масло поступает к баку по трубопроводу из централь-
ной маслоохладительной станции, а нагретое во время закалки
171
масло через сливное отверстие в верхней части бака отводится
на охлаждение.
Моечные машины. Для очистки от солей, закалочного масла,
сажи и копоти детали после закалки промывают в горячем вод-
ном растворе щелочи, содержащем 3—10% кальцинированной
или каустической соды. Температура раствора поддерживается
равной 80—90°С.
Детали перед отпуском промывают или в промывочных ба-
ках, или в моечных машинах. Промывочные баки без циркуля-
канализацию
Рис. 85. Конвейерная моечная машина ММ-400К
ции раствора по конструкции подобны закалочным немеханизи-
рованным бакам. К баку подводятся вода и пар. Детали загру-
жаются в промывочный бак в железных корзинах. Промывка
обычно продолжается в течение 5—15 мин., после чего детали
просушиваются.
Для промывки деталей в массовом производстве использу-
ют конвейерные моечные машины непрерывного действия. Кон-
вейерная моечная машина ММ-400К (рис. 85) представляет со-
бой металлический водонепроницаемый каркас /, внутри кото-
рого непрерывно движется конвейер 3 из штампованных звеньев.
Звенья имеют отверстия для стока водного раствора. В нижней
части машины помещен сборный железный бак 5 емкостью
1,3 м3. Снаружи машины установлен бачок 6 с фильтром и
насос 7, приводимый в движение от электродвигателя.
Детали поступают непосредственно на движущуюся конвей-
ерную ленту, проходя по которой они подвергаются воздействию
172
сильной струи горячего содового раствора, которая подается под
давлением от насоса через специальные сопла 4, установленные
в шахматном порядке сверху и снизу движущейся конвейер-
ной ленты. Движение ленты производится от электродвигателя 2
через редуктор, храповой механизм и вал с ведущей звездочкой.
Скорость движения ее 0,75 м!мин. Производительность машины
150—250 кг!час.
Моечные машины можно применять как самостоятельное обо-
рудование для промывки, но чаще всего их устанавливают в
закалочных агрегатах между закалочным баком и отпускной
печью.
Конвейерные отпускные электрические печи. Для отпуска за-
каленных деталей на низкую и высокую температуру применяют
конвейерные печи с электрическим обогревом.
Печи для низкого отпуска. Основным видом печей
для низкого отпуска являются печи КО-55. Подобно конвейер-
ным закалочным печам, отпускная печь представляет собой ме-
таллический каркас. Рабочее пространство печи выложено ша-
мотным кирпичом. Между каркасом и рабочей камерой проложен
термоизоляционный слой — шлаковата. Нагреватели расположе-
ны по боковым стенкам и под подом в виде спирали из нихромо-
вой проволоки диаметром 3,5—4,5 мм. Ленты с деталями движут-
ся через ведущий барабан, который, в отличие от закалочных
печей, расположен с загрузочной стороны печи.
Техническая характеристика
отпускной электропечи КО-55
Мощность, кет............................. 55
Максимальная температура, °C. . . . 200
Производительность, кг)час................ 250
Скорость движения конвейерной ленты,
м/мин ............................. 0,042—0,21
Размеры рабочего пространства, мм:
ширина ............................... 600
длина................................. 6120
высота ............................... ‘415
Для циркуляции горячего воздуха и создания равномерной
температуры нагрева в рабочем пространстве печь имеет четыре
вентилятора, по одному в каждой зоне.
Печи для высокого отпуска. Такие печи отличаются
от конвейерных печей для низкого отпуска размерами рабоче-
го пространства, мощностью, температурой нагрева и отсутстви-
ем вентиляторов. В термических цехах шарикоподшипниковых
заводов применяют конвейерные печи К-45, К-65, К-75 и др.
Техническая характеристика
отпускной электропечи К-65
Мощность, кет......................... 65
Максимальная температура, °C. . . . 600
173
Производительность, кг!час............ 200
Скорость движения конвейерной ленты,
м!мин ................................. 0,042—0,21
Размеры рабочего пространства, мм:
ширина ................................. 400
длина................................. 4100
высота ................................ 415
Закалочные агрегаты непрерывного действия. Такие агрегаты
широко применяют на заводах массового и крупносерийного
производства. Агрегаты обычно состоят из закалочной печи, за-
калочного конвейерного бака, моечной машины и отпускной кон-
вейерной печи. При обработке особо точных деталей в агрегат,
кроме того, встраивают холодильную камеру с температурой
ниже нуля. Агрегаты значительно повышают производительность
труда и облегчают условия работы термистов.
Схема закалочного агрегата для термической обработки ко-
лец шариковых и роликовых прецизионных подшипников из ста-
ли ШХ15 изображена на рис. 86. Этот агрегат состоит из кон-
вейерной закалочной электрической печи К-120 (/), конвейерно-
го масляного бака ЗБ-600К (2), моечной машины ММ-400К (4),
холодильной камеры 5, конвейерной отпускной печи КО-55 (6)
и маслоохладителя 3.
Детали на конвейер закалочной печи (ее температура 830—
850сС) поступают при помощи встряхивающего стола. После на-
грева в печи они поочередно сбрасываются через люк в масля-
ный закалочный бак.
Из бака закаленные детали (кольца подшипников) подаются
по конвейеру в моечную машину. После промывки их в горячем
содовом растворе они поступают в холодильную камеру, где при
температуре —12°С охлаждаются в течение 40—45 мин. Охлаж-
дение закаленных деталей до низких температур осуществляет-
ся с целью разложения остаточного аустенита в стали и получе-
ния колец стабильных размеров. Из холодильной камеры детали
передаются в отпускную печь.
Полный цикл термической обработки колец подшипников
проходит автоматически — рабочий только укладывает кольца
на конвейер закалочной печи и следит за показаниями тепло-
вых приборов. Конвейеры масляного бака моечной машины и
холодильной камеры приводятся в движение от отдельных элек-
тродвигателей.
Если для закаливаемых деталей Бе требуется обработка хо-
лодом, то холодильная камера отключается и процесс термичес-
кой обработки происходит обычным путем.
Длина агрегата около 20 м, производительность 160—
280 кг!час.
Агрегаты для газовой цементации. Агрегат для скоростной
газовой цементации при нагреве т. в. ч. с закалкой зубчатых ко-
174
5
Рис. 86. Конвейерный агрегат для термической обработки колец подшипников:
/ — закалочная электрическая печь, 2 - конвейерный масляный бак, 3 — маслоохладитель, 4—моечная машина, 5 — конвейерная холодиль-
ная камера, 6 — конвейерная отпускная печь
лес автомобиля был спроектирован и впервые применен на Мо-
сковском автозаводе им. Лихачева.
Агрегат (рис. 87) представляет собой герметический корпус
изготовленный из нержавеющей стали. Внутри корпуса верти-
кально расположен многовитковый индуктор 11, выполненный
из медной трубки прямоугольного сечения и питаемый машин-
ным генератором мощностью 1000 кет с частотой 2500 гц. Внут-
ри индуктор футерован гильзами 10 из специальной керамики.
В цементационной печи 6 агрегата находится двадцать зубчатых
колес: два вне индуктора, пять в зоне подогрева, тринадцать
в зоне цементации.
Процесс цементации зубчатых колес автомобиля в агрегате
несложен: нижнее из зубчатых колес, расположенных в загру-
зочном устройстве 13, толкателем цилиндра 14 передается по ко-
ридору 15 в крайнее левое положение до упора. После этого
крайнее зубчатое колесо 17 поступает в индуктор и занимает
положение зубчатого колеса 16. Далее через определенные
интервалы (две-три минуты) шток цилиндра поочередно по-
дает зубчатые колеса в индуктор печи, где они цементируют-
ся. Температура цементации Тюддерживается равной 1050—
1080°С. При такой температуре цементованный слой глубиной
1,0—1,2 мм образуется за 45—50 мин. Это ускорение цемента-
ции достигается благодаря активизации процесса.
При выходе из зоны науглероживания верхнее зубчатое ко-
лесо 9 в верхней форкамере 8 охлаждается до температуры за-
калки. Крайнее зубчатое колесо 7 сдвигается на закалочный
стол 5 и вместе со столом при помощи штока 4 пневматического
цилиндра 2 опускается в закалочный бак 1. Из масляного бака
закаленные зубчатые колеса конвейером 3 подаются на отпуск.
В качестве карбюризатора обычно используют природные газы
и специальную газовую атмосферу. Газ подают в нижнюю часть
цилиндра через трубу 18. Фотопирометр 12 контролирует темпе-
ратуру цементации. Для предохранения от попадания в печь
кислорода в ней поддерживается избыточное давление, равное
20—30 мм вод. ст.
Агрегат имеет небольшие размеры, что позволяет устанавли-
вать его в поточных линиях механообрабатывающих цехов. Ав-
томатическая работа агрегата осуществляется электрической и
гидравлической системами.
Установки для индукционного нагрева ТВЧ. Такие установ-
ки (рис. 88) состоят из генератора высокой частоты, преобразую-
щего промышленный ток частотой 50 гц в ток высокой частоты;
асинхронного двигателя, высокочастотного трансформатора, кон-
денсатора, медного индуктора и устройства для автоматического
управления циклом обработки. В качестве генераторов высокой
частоты при индукционном нагреве применяют машинные и лам-
повые генераторы. Машинные генераторы дают ток частотой
176
12—1134
8 3 10 //
Рис. 87. Агрегат для газовой цементации при нагреве ТВЧ:
/ — закалочный бак, 2 — пневматический цилиндр, 3 — конвейер закалочного бака, 4 — шток цилиндра, 5 —зака-
лочный стол, 6 — цементационная печь, 7 — зацементованное зубчатое колесо, 8 — форкамера, 9 — верхнее зубча-
тое колесо, 10 — керамическая гильза, // — цилиндрический индуктор, 12 — фотопирометр, 13 — загрузочное устрой-
ство, 14 — толкатель цилиндра, 15 — загрузочный коридор, 16 — зубчатое колесо, поступающее в камеру нагрева,
17 — зубчатое колесо для цементации, 18 — труба для подачи газовой смеси
. Рис. 88. Установка для высокочастотной
закалки
Рис. 89. Индукторы для нагрева ТВЧ:
а — одновитковый, б — цилиндрический, в — разъемный, г — плоский, д —
двухвитковый, е — с душирующим устройством
500—10 000 гц и служат для закалки валов, осей, штоков, шеек
коленчатых валов и т. д. Ламповые генераторы вырабатывают
ток частотой 100 000—5 000 000 гц и выше и используются для
закалки небольших по размерам деталей и инструмента на глу-
бину 0,8—1,8 мм. Одним из основных элементов установки яв-
ляется индуктор, изготовленный из медных трубок круглого
или прямоугольного сечения. Индуктор имеет форму, соответст-
вующую конфигурации нагреваемой детали. Охлаждается ин-
дуктор во время работы проточной- водой. Некоторые виды ин-
дукторов изображены на рис. 89.
Для закалки ТВЧ применяют различные приспособления и
станки.
Полуавтоматический станок (рис. 90) предназначен для за-
калки автомобильных коленчатых валов из стали 45. Станок ра-
ботает от машинного генератора с частотой 2000—3000 гц и
мощностью 150 кет. Станок имеет 13 разъемных индукторов 6
и 9, питаемых от трансформаторов 1 и 2, и коммутатор 7. Каж-
дый индуктор состоит из двух половин: одна находится в нижней
части станка, другая — в верхней откидной 3. Вал 10 устанавли-
вают в центрах при помощи фиксатора 5 сразу на 13 индукторов
и зажимают рукояткой 4. При соприкосновении половин индук-
торов образуется полный виток, охватывающий шейку вала, и
при помощи контактов автоматически включается ток. После
отключения тока в индуктор через гидравлическую систему 8
подается вода. Продолжительность нагрева шейки 3,8—7,0 сек.,
а охлаждения — 7—8 сек. Нагрев и закалка последовательно
всех шеек вала продолжается 2,5 мин., глубина закаленного
слоя при этом составляет 3—4 мм. При такой закалке в резуль-
тате сокращения времени охлаждения шеек происходит само-
отпуск. Станок устанавливают в общей линии, в потоке обработ-
ки коленчатых валов. Производительность его 100 валов за смену.
Техника безопасности при работе на электрических печах.
При работе на электрических печах термист должен хорошо
знать правила их эксплуатации и следить за исправностью токо-
ведущих частей. Все электроустановки должны быть хорошо
заземлены и изолированы. При загрузке, очистке, ремонте и ос-
мотре электрических печей ток должен быть отключен. Для бе-
зопасной работы электрические печи должны иметь электробло-
кировку загрузочной дверцы печи, автоматически выключающую
ток при открывании дверцы. Категорически запрещается вклю-
чать рубильник и пусковую кнопку при помощи металлических
предметов — клещей, кочерги и т. п. Нельзя пользоваться неис-
правным рубильником, пусковой кнопкой и штепселем. О заме-
ченных неисправностях в электрооборудовании и осветительной
сети термист обязан немедленно сообщить мастеру или старше-
му по смене. Кроме того, термист должен уметь оказывать пер-
вую помощь при поражении током.
12* 179
Рис. 90. Полуавтоматический станок для закалки коленчатых валов ТВЧ:
1, 2 — трансформаторы, 3 — верхняя часть системы, 4 — рукоятка, 5 - фиксатор, 6 --
нижние полуиндукторы, 7 — коммутатор, 8 — гидравлическая система, 9 верхние
полуиндукторы, 10 — коленчатый вал с газовым обогревом
§ 7. СОЛЯНЫЕ И МАСЛЯНЫЕ ВАННЫ
Соляные ванны. Такие ванны (печи) применяют в термиче-
ских цехах для нагрева деталей при закалке, отпуске, нормали-
зации, цианировании и жидкостной цементации. В качестве ра-
бочей среды используют расплав-
ленные соли, щелочи и минераль-
ные масла.
Детали в соляных ваннах на-
греваются значительно быстрее,
чем в электрических или газовых,
так как тепло от жидкости к ме-
таллу передается интенсивнее,
чем от газообразной среды. При
нагреве в соляных ваннах детали
окисляются слабо, без следов
окалины. Соляные ванны изготов-
ляют различных конструкций; с
нефтяным, газовым обогревом и
электрические.
Ванна с газовым обогревом
(рис. 91) представляет собой ме-
таллический кожух, внутри кото-
рого находится слой изоляцион-
ного диатомитового кирпича 2.
Камера горения выложена ша-
мотным кирпичом. В кладке име-
ется жароупорный тигель 1, Фор-
сунки или горелки 3 расположены
тангенциально, и продукты горе-
ния отсасываются через дымоход-
ный канал 4. Для стока расплав-
ленных солей в случае прогара
муфеля в ванне имеется специ-
альное отверстие 5. Над ванной
установлен металлический кол-
пак, подключенный к вытяжной
Рис. 91. Ванна с газовым обо-
гревом
вентиляции. Для измерения тем-
пературы в тигель с расплавленной солью, отлитый из жаро-
упорного сплава Х25Н2ОС2, опускается термопара.
Техническая характеристика
соляной ванны с газовым обогревом
Максимальная температура, °C................ 860
Производительность, кг!час...............75—125
Рабочие размеры тигля ванны, мм:
диаметр ........................ 400
глубина.................................. 660
181
Электрические соляные ванны обычно изготовляют не ти-
гельными с внешним обогревом, а электродными с внутренним
нагревом.
Электродные ванны выпускают двух типов: трехфазные с тре-
мя электродами и однофазные — с одной или несколькими пара-
ми электродов.
л-л
Рис. 92. Трехэлектродная соляная ванна С-35
Трехэлектродная ванна С-35 (рис. 92) предназначена для
закалки инструмента из быстрорежущей стали. Каркас ванны 1
изготовлен из листовой стали с термоизоляционной кирпичной
кладкой 2, внутри которой находится стальной цилиндрический
предохранительный кожух 3, выложенный шамотным кирпичом
4. Рабочее пространство ванны имеет вид шестигранной приз-
мы, по бокам которой симметрично расположёны три железных
электрода 5. Длина электродов должна быть на 30—40 мм мень-
ше высоты .рабочего пространства ванны с тем, чтобы через ока-
лину, осаждающуюся на дне ванны, не возникало короткого за-
мыкания. В качестве электросопротивления применяют расплав-
182
ленную соль. Ток подается к электродам от трансформатора 9
по медным шинам 8. Соляные пары удаляются при помощи вы-
тяжного колпака 7, установленного над ванной. Для предохра-
нения термиста от брызг расплавленной соли загрузочное окно
в колпаке закрывается цепной занавеской 6.
Техническая характеристика
трехэлектродной ванны С-35
Мощность, кет ............................... 35
Число фаз..................................... 3
Максимальная температура, °C................1300
Производительность, кг!час ................. 30
Рабочие размеры, мм\
диаметр . ................................220
высота....................................320
Более совершенным типом электрических ванн являются
однофазные с опущенными в соль электродами. Они обладают
повышенным к. п. д. Соли в таких ваннах нагреваются при по-
мощи электродов, опущенных в расплавленную соль. Ток боль-
шой силы, протекающий по электродам, образует магнитное
поле, вызывающее энергичную циркуляцию расплавленной соли.
Электродами служат стальные стержни диаметром 30—40 мм..
Промышленностью выпускается несколько типов однофазных
электродных ванн: С-20, С-25, С-45. По конструкции они анало-
гичны ваннам С-35. Однако в отличие от ванны С-35 в ваннах
С-20 и С-45 расплавленная соль находится в тигле, выложен-
ном фасонным шамотом, а в ванне С-35 — в жароупорном тигле.
Ванны такого же типа, но больших размеров, обозначаются
С-50 и С-100. Они имеют по три пары электродов, сварной, пря-
моугольной формы тигель, а также бортовые отсосы для удале-
ния вредных соляных паров.
Для закалки инструмента из быстрорежущей стали применя-
ют четырехтигельные ванны (рис. 93).
Литые тигли 5 установлены в один ряд с общей футеровкой 6
и под одним вытяжным колпаком 2. Первый тигель (температу-
ра 650—680°С) служит для низкого подогрева инструмента, вто-
рой — для подогрева на 840—860° С, третий — для окончатель-
ного нагрева до 1280—1300° С, четвертый (температура, как и
у первого) —для охлаждения под ступенчатую закалку. Темпе-
ратура в третьем тигле регулируется и контролируется оптиче-
ским пирометром 3, а в остальных — обыкновенными термопа-
рами. Оптический пирометр и термопары подключены к распре-
делительному щитку 1. В соответствии с температурами нагре-
ва и видами операций каждый тигель имеет определенный со-
став солей.
В электродных ваннах благодаря циркуляции расплавленной
соли под действием тока детали нагреваются быстрее, чем в ти-
гельных с внешним обогревом. Кроме того, для электродных
183
ванн не требуются дорогие жароупорные тигли. Однако эти ван-
ны имеют и недостаток — их трудно разжигать, так как соль в
твердом состоянии не является электрическим проводником. По-
этому соляные ванны должны постоянно работать. Если в рабо-
те ванны имеются 'небольшие перерывы, ее не отключают, а за-
крывают крышкой, поддерживая температуру немного выше
точки плавления соли.
Для пуска и розжига соляных ванн обычно применяют гра-
фитовое сопротивление. Для этого в соли ванны между электро-
Рис. 93. Четырехтигельная соляная ванна:
1 — распределительный щит с измерительными приборами, 2 —
вытяжной колпак, 3 — оптический пирометр, 4 - электроды, 5 —
жароупорный тигель, 6 — футеровка
дами делают углубление на 15—20 мм и в него закладывают
графитовый кирпичик. После включения тока графит как провод-
ник разогревается и расплавляет вокруг себя соль, которая за-
мыкает электроды. Постепенно соль расплавляется по всей
ванне.
Мощность ванны 75 кет, производительность 100 кг!час.
Техника безопасности при работе у соляных ванн. Работа у
соляных ванн требует от термиста особого внимания и строгого
выполнения всех мер предосторожности и правил техники безо-
пасности. Несоблюдение этих условий может привести к ожогам,
получаемым при выплеске солей, или отравлению их парами.
При работе у селитровых ванн следует помнить, что селитру
нельзя нагревать выше 550°С, так как при более высокой темпе-
ратуре может произойти самовозгорание солей.
Работать у соляных, селитровых и свинцовых ванн рекомен-
дуется в очках и рукавицах. Детали в ванны нужно загружать
сухие и подогретые, так как влажные и холодные детали могут
вызвать выбрасывание солей из тигля. Вылившиеся горячие со-
ли следует засыпать сухим песком, ни в коем случае не заливая
их водой и огнетушительной смесью.
184
Рис. 94. Виды ковшиков:
а и б — для выливания расплавленных солей и
их загрузки в ванну, в — сетчатый для очистки
ванны
Соли, добавляемые в процессе работы, должны быть хорошо
просушенными. Их следует засыпать небольшими порциями при
помощи специальных ковшиков (рис. 94). От остатков окалины
и грязи ванны нужно очищать при выключенном токе.
Работа у ванн с ци-
анистыми солями тре-
бует особого внимания
и осторожности, так
как цианистые соли яв-
' ляются сильнейшими
ядами. Однако при
правильной эксплуата-
ции цианистых ванн,
наличии хорошей вы-
тяжной и приточной
вентиляции, строгом
выполнении правил
техники безопасности
работа у таких ванн не
опасна. Поэтому перед
тем как приступить к
работе у ванн с циани-
стыми солями, термист
должен не только получить полный инструктаж от мастера, на
и сам проработать инструкцию по обращению с цианистыми
солями и обезвреживанию их отходов.
Термист также должен знать, что во время работы у соляных
ванн не рекомендуется курить. После окончания работы необхо-
димо принять горячий
Рис. 95. Общий вид масляной отпускной
ванны
ДУШ.
Масляные отпускные
ванны. Масляные ванны,
так же как и соляные, ис-
пользуют для низкого от-
пуска и искусственного
старения сталей.
Масляная отпускная
ванна с электрическим
обогревом (рис. 95) име-
ет квадратную форму. В
рабочем пространстве
ванны установлен метал-
лический тигель. Про-
странство между карка-
сом и тиглем обычно за-
полняют термоизоляцион-
ным материалом — стек-
185
ловатой, а тигель — минеральным маслом марки Вапор. Закры-
вается ванна крышкой. Масло нагревается при помощи нихро-
мовых нагревателей, а масляные пары удаляют из ванны борто-
вым отсосом. С течением времени масло стареет и температура
вспышки его понижается, поэтому масло необходимо периодиче-
ски менять.
Техническая характеристика
масляной отпускной ванны
Мощность, кет................................ 1
Максимальная температура, °C............... 200
Производительность, кг!час..............50—G0
Рабочие размеры, мм:
ширина ...................................620
длина ...................................620
высота ..................................800
§ 8. ВСПОМОГАТЕЛЬНОЕ ОБОРУДОВАНИЕ
Рис. 96. Электротельфер
В термических цехах для выполнения различных операций
при цементации, закалке, отпуске и т. д. широко применяют
подъемно-транспортные приспособления: ручные и электри-
ческие тали, монорельсы, кран-балки, рольганги и т. д.
Ручные тали являются прос-
тейшими механизмами для подъема
грузов весом 0,5—3 т на высоту до
10 м. Подъем осуществляется при
помощи тяговой цепи, которая оги-
бает звездочку, приводимую во вра-
щение от тягового колеса через чер-
вячную передачу. Тали имеют авто-
матические тормоза, препятствую-
щие опусканию поднятого груза.
Электрические тали — это
грузоподъемные приспособления,
представляющие собой механичес-
кую таль с электрическим приводом.
Груз поднимается при помощи
стального каната, навитого на ба-
рабан. Грузоподъемность электриче-
ской тали 0,25—5 т. Электроталь
управляется кнопочным контакто-
ром.
Электроталь, подвешенную к монорельсовой тележке, которая
перемещается вручную или от электродвигателя, называют элек-
тротельфером (рис. 96).
Монорельс представляет собой подвесную дорогу с одним
рельсом, по которому передвигается самоходная тележка или
тележка с ручной тягой.
.186
Кран-балка — это мостовой кран с ручным или электри-
ческим приводом. Грузоподъемность кран-балки до 5 т. Груз под-
нимается при помощи тельфера, передвигающегося по нижним
полкам балки, обычно двутавровой. Управление тельфером и пе-
редвижение кран-балки производится подвесным кнопочным ме-
ханизмом.
Для загрузки и разгрузки шахтных печей и соляных ванн
применяют поворотные консольные краны, монорельс с электро-
тельфером и т. д.
•Рольгангами (роликовыми конвейерами) называют уст-
ройства, по которым перемещаются поддоны у цементацион-
ных и закалочных печей непрерывного действия и штучные гру-
зы. Рольганги представляют собой вращающиеся ролики, уста-
новленные по пути передвижения грузов. Груз на рольгангах
перемещается под действием собственного веса (при наличии ук-
лона) или приложенного к нему небольшого внешнего усилия.
Кроме рольгангов, в термических цехах для непрерывности
цикла производства применяют цепные конвейеры, передвигаю-
щиеся по замкнутой трассе. Цепь имеет ходовые ролики, пере-
мещающиеся по нижней полке двутавровой балки. К осям роли-
ков прикреплены подвески с крючками, на которые подвешива-
ются корзины с деталями. Конвейер приводится в движение от
электродвигателя и передаточного механизма с вариатором,
предназначенным для изменения скорости движения.
Для внутри- и межцехового транспортирования деталей при-
меняют ручные тележки и электрокары грузоподъемностью до
5 т. При использовании электрокар применяют специальную
тару — железные ящики на ножках.
§ 9. ПРИБОРЫ ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ И РЕГУЛИРОВАНИЯ
ТЕМПЕРАТУРЫ
Для измерения и регулирования температуры в .нагреватель-
ных печах, установках и соляных ваннах применяют следующие
контрольно-измерительные приборы: термометры, термопары,
милливольтметры, потенциометры, пирометры, миллископы
и т. д.
Термометры представляют собой простейшие приборы
для измерения температуры в жидких и газовых средах от —50
до +600°С. Наиболее распространены жидкостные термометры,
основанные на наблюдении видимого изменения высоты стол-
бика ртути или окрашенного спирта, находящихся в стеклянном
шарике.
Термопары предназначены для измерения температуры
выше 600° С. Термопара (рис. 97) представляет собой прибор,
в котором имеется два разнородных проводника, спаянных с од-
ного конца. В цепи из двух разнородных проводников при на-
187
греве возникает термодвижущая сила (термо-э. д. с.), величина
которой возрастает с увеличением температуры нагрева в месте
спая проводников. Термо-э.д.с. может изменяться и от вида
металла.
Свариваемый конец 1 термопары называют горячим спаем
(рабочим концом), а несвариваемый конец — холодным спаем 2
(свободным концом). Результирующая термо-э. д. с. равна раз-
ности термо-э. д. с., возникающих в горячем и холодном спаях.
Рис. 97. Схема термопары:
1— горячий спай, 2 — холодный спай, 3 — медные
провода, 4 — милливольтметр
Поэтому если сво-
бодный конец термопа-
ры имеет постоянную
температуру, например
18° С, то для любого1
типа термопары термо-
э. д. с. будет зависеть
от того, до какой тем-
пературы нагрет рабо-
чий конец термопары.
Следовательно, о
температуре печейг
ванн и других уст-
ройств, к которым при-
креплен рабочий конец
термопары, судят по
величине термо-э. д. с. Эта термо-э. д. с. определяется милли-
вольтметром 4, присоединенным к свободному концу термопары.
Термопары можно изготовлять из различных металлов и
сплавов (табл. 27).
Таблица 27
Термопары
(ГОСТ 3044—45)
Материалы для изготовления термопар Обозначения градуировки Температура, °C
предельная применяемая
Железо —копель жк 800 600
Хромель — копель хк 800 600
Хромель — алюмель ХА 1100 1000
Платина — платинородий ПП 1600 1300
В термопарах ПП применяют проволоку диаметром 0,5—
0,6 мм, в остальных — диаметром 2—3 мм.
Проволоки в термопарах имеют длину 500—2000 мм и изо-
лируются друг от друга фарфоровыми трубочками или бусами.
Для защиты термопар от наружных механических повреждений
их помещают в жароупорные чехлы.
188
Свободные концы проволок (до места постоянной темпера-
туры) удлиняют компенсационными проводами 3, изготовляемы-
ми из тех же материалов, что и термопары.
Для хромель-алюминиевых термопар применяют медно-кон-
стантановые компенсационные провода, обладающие неболь-
шим сопротивлением.
Для правильного измерения температуры в 1нагревательных
печах термопару 2 устанавливают сбоку от нагреваемых дета-
лей 1 (рис. 98, а) и сверху (рис. 98, б). Рабочий конец термопа-
Рис. 98. Установка термопары в печи:
а — сбоку нагреваемых деталей, б — сверху; / — детали, 2 —
термопара, 3 — провода
ры должен отстоять от стенки печи на 250—300 мм и не должен
подвергаться прямому воздействию пламени и электронагрева-
телей.
Милливольтметры разделяются >на показывающие, или
гальванометры, и самопишущие.
Показывающие милливольтметры (рис. 99) используют для
измерения термо-э.д.с., возникаемой в термопаре. Они могут
быть переносными и стационарными.
Показывающий милливольтметр состоит из постоянного маг-
нита 1 с полюсными башмаками 2 из мягкой стали и сердечни-
ка 3, на который надета бескаркасная рама 4, вращающаяся в
кольцевом зазоре. Магнитные силовые линии в этом зазоре име-
ют радиальное направление.
Ток термопары подводится через спиральные пружины 5, ко-
торые создают противодействующий момент. Внутренний конец
пружин припаян к рамке, а наружный — к коллектору 6, соеди-
ненному со стрелкой 7. Проходя через рамку, ток взаимодей-
189
ствует с магнитным потоком постоянного магнита и создает маг-
нитное поле, которое стремится повернуть рамку против дей-
ствия пружин таким образом, чтобы ее плоскость была перпен-
дикулярна к магнитным линиям постоянного магнита. Чем выше
температура рабочего конца термопары, тем больше термо-э.д.с.
и тем на больший угол поворачивается рамка и прикрепленная
к ней стрелка 7. Следовательно, угол отклонения рамки и стрел-
ки милливольтметра прямо пропорционален термо-э.д.с. и об-
6)
Рис. 99. Показывающий милливольтметр:
а — общий вид, б — схема
ратно пропорционален сумме сопротивлений в цепи милливольт-
метра.
Самопишущие милливольтметры применяют в тех случаях,
когда нужно знать не только температуру в данный момент, но
и весь режим нагрева за длительный период времени. Самопи-
шущие милливольтметры отличаются от обычных показывающих
приборов тем, что их стрелка через определенные промежутки
времени касается движущейся с постоянной скоростью рулонной
бумаги. Между стрелкой и бумагой находится красящая лента.
От периодических ударов дужки прибора по стрелке (через каж-
дые 2 сек.) пишущий ролик оставляет на бумаге след от кра-
190
измерения не превышает ±
Рис. 100- Электронный автоматический
потенциометр ЭПД с открытой крыш-
кой:
1 — винт, 2 — рычаг для отвода пера, 3 —
кнопка для установки рабочего тока, 4 — ок-
но флажка «Сменить батарею». 5 — записы-
вающая стрелка-перо, 6 — выключатель си-
ловой цепи, 7 — показывающая стрелка, S —
стрслкодержатель
сящей ленты в виде ряда точек. Эти точки образуют температур-
ную кривую. Температуры, измеряемые разными термопарами,
записываются различными цветами. Передвижение бумаги и
периодический удар стрелки осуществляются сильным часовым
механизмом или моторчиком.
Потенциометры применяют для точных определений
температуры (погрешность
Сущность измерения темпе-
ратуры потенциометром со-
стоит в том, что электродви-
жущая сила термопары
уравновешивается равной ей
по величине, но противопо-
ложной по знаку электро-
движущей силой от посто-
роннего источника тока (су-
хого элемента).
В современных термиче-
ских цехах для контроля и
автоматического регулирова-
ния температуры использу-
ют электронные автоматиче-
ские потенциометры ЭПД
(рис. 100).
Эти приборы, как и все
приборы, производящие из-
мерение компенсационным
методом, имеют многовитко-
вый калиброванный рео-
хорд, т. е. сопротивление из
манганиновой проволоки,
изготовленной в виде спи-
рали.
В корпусе прибора рас-
положены усилитель, ревер-
сивный двигатель с редуктором, реохорд, механизм установки
рабочего тока, синхронный двигатель и другие узлы.
Температура в потенциометрах ЭПД записывается на диско-
вой диаграмме диаметром 300 мм, полный оборот которой про-
исходит через 24 часа. Диаграмма находится на передней части
откидного кронштейна. Вдоль диаграммы передвигается запи-
сывающая стрелка-перо 5, показывающая на диаграмме кривую
хода температуры. Через отверстие в диаграмме проходит ось с
показывающей стрелкой 7, закрепленной в стрелкодержателе 8.
Для наблюдения за показаниями и записью крышка прибора
имеет застекленное окно диаметром 330 мм.
Потенциометры ЭПД могут работать при температуре окру-
191’
жающего воздуха от 0 до +50° С и относительной влажности от
30 до 80%.
Пирометры предназначены для измерения высоких темпе-
ратур (до 1300°С) на определенном расстоянии от нагревае-
мого объекта. Они разделяются на
оптические, радиационные, с
фотоэлементом и т. д.
Оптические пирометры
основаны на сравнении яр-
кости нагретого тела с яр-
костью эталонного тела. На-
пример, у пирометров с ис-
чезающей нитью сравни-
вается интенсивность излу-
чения нагретого тела с яр-
костью нити накаливания
лампочки прибора.
Оптический пирометр с
«исчезающей нитью» (рис.
101) представляет собой
зрительную трубу 3, внутри
которой имеется электриче-
ская лампочка 2, питаемая
от батареи 1. Ток, изменяе-
мый реостатом 4, измеряет-
ся прибором, шкала которо-
Рис. 101. Оптический пирометр с
«исчезающей нитью»:
1 — батареи питания, 2 — электрическая
лампочка, 3 — труба, 4 — реостат; а —
нить накалена слабо, б — нить накалена
соответственно температуре нагретого те-
ла, в — нить накалена слишком сильно
уменьшением тока — темнее, чем
го разделена на градусы.
Для измерения температуры
трубу наводят на испытуе-
мый объект, например на
нагреваемую деталь в печи,
таким образом, чтобы в оку-
ляре было видно светлое
пятно.
С увеличением силы
тока светящаяся пить лам-
почки становится ярче, чем
фон, полученный от нагретой
детали (рис. 101, а), а с
фон детали (рис. 102, в). Ре-
гулируя реостатом ток в лампочке, можно сделать так, что
изображение нити ъа фоне (рис. 101, б) станет незаметным. По
отклонению стрелки оптического пирометра определяют темпе-
ратуру 1нагрева металла в печах.
Радиационные пирометры, или ардометры, концентрируют
тепловое излучение наблюдаемого тела на термопаре, находя-
щейся внутри пирометра.
Прибор (рис. 102) представляет собой трубу, в которой
D2
находятся объектив (линза) /, диафрагма, термоэлемент 2,
соединенный с гальванометром 3 и помещенный в стеклянный
баллон в виде лампы, дымчатый фильтр и окуляр.
Радиационный пирометр наводится на раскаленное тело, лу-
чистая энергия которого собирается линзой, сосредоточиваясь на
горячем спае термопары
термоэлемента. Возника-
ющая при этом термо-
э. д. с. измеряется галь-
ванометром. Пирометр
обладает небольшой инер-
цией и на изменение тем-
пературы в измеряемом
пространстве печи или
ванны реагирует быстро,
т. е. практически не отста-
ет от нее. Изменение тем-
пературы записывается
автоматически.
Миллископы при-
меняют для быстрого и
точного измерения температуры нагрева движущегося тела.
Наиболее широко они используются для контроля и автомати-
ческого регулирования температуры при пламенной поверхност-
Рис. 103. Схема миллископа:
1 — деталь для обработки. 2 — зеркало, 3 —
диск, 4 — фотоэлемент, 5 — генератор, 6 —
двигатель, 7 — усилитель, 8 — реле, 9 — крас-
ная лампа, 10 — нулевой циферблат, 11 —
зеленая лампа, 12 — температурный циферб-
лат, 13— реостат, 14—нить накаливания,
15 — водяной жакет
Рис. 102. Радиационный пирометр
ной закалке и при нагреве
т.в.ч.
Миллископ (рис. 103) —
безинерционный прибор. Его
можно сравнить с пиромет-
ром, имеющим нить накали-
вания. В пирометре излуче-
ние нагреваемого тела и ни-
ти накаливания лампочки
сравниваются на глаз, а в
миллископе — при помощи
фотоэлемента, преобразую-
щего световую энергию в
электрическую.
Сравнение в миллископе
производится следующим
образом. Перед фотоэлемен-
том 4 помещают диск 3 с от-
верстиями, приводимый в
движение электродвигате-
лем 5. Положение диска и
величина отверстий должны
быть такими, чтобы на фо-
13 -1134
193
тоэлементе (сернистый свинец) попеременно возникали изобра-
жения нагреваемого тела 1 и иити накаливания тарированной
лампы 14.
При равенстве обоих излучений фотоэлемент освещается
одинаково, следовательно, напряжения равны. Если излучения
энергии тела и тарированной лампы не равны, фотоэлемент
освещается то сильнее, то слабее и в приборе возникает пере-
менный ток, который будет отклонять стрелку температурного
циферблата 12 или вправо или влево, в зависимости от нагрева
тела.
Головка миллископа при работе наводится на излучаемое
тело и температура отсчитывается на шкале температурного ци-
ферблата. Нулевой циферблат 10 предназначен для настройки
прибора. Расположенные в схеме лампы — зеленая 11 и крас-
ная 9 — загораются при отклонении от заданной температуры
на ±5°С.
Контрольные вопросы
1. Как классифицируются нагревательные печи по конструкции и роду
топлива?
2. Как устроены и работают нефтяные и газовые нагревательные печи?
3. Какие виды топлива применяют для нагрева термических печей?
4. Какие правила техники безопасности нужно соблюдать при работе на
нефтяных и газовых нагревательных печах?
5. Как классифицируются электрические нагревательные печи?
6. Каково устройство электрических нагревательных печей?
7. Для каких целей применяют соляные ванны?
8. Какие виды вспомогательного оборудования используют при цемен-
тации, закалке и отпуске?
9. Какие измерительные приборы применяют для контроля и регулиро-
вания температуры в нагревательных печах?
Глава IX
ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ
ТЕРМИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКИ МЕТАЛЛОВ
§ 1. ИЗМЕНЕНИЕ СТРУКТУРЫ И СВОЙСТВ МЕТАЛЛОВ,
ВЫЗЫВАЕМОЕ ТЕРМИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКОЙ
Большинство применяемых в производстве металлов подвер-
гаются термической обработке.
Сущность термической обработки заключается в тепловых
операциях — нагреве до определенной температуры, выдержке и
последующем охлаждении металла (сплава), осуществляемых
ДЛЯ изменения его струк- При Гимении
туры и создания в нем не- наменяет структуры /отбкс аморфное
обходимых физических, / состояние
механических и других \______/
СВОЙСТВ. V. 'с
В процессе термичес- х.
^При движении
от С кв кристал-
лизация
кой обработки в металле
происходят превращения,
в результате которых по-
вышаются прочностные
не зу плавается
Рис. 104. Критические точки Чернова
свойства, износостойкость
металла, придается ему требуемая высокая или низкая твердость
и хорошая обрабатываемость инструментом на металлорежущих
станках.
Основными видами термической обработки стали, чугуна и
цветных сплавов являются отжиг, нормализация, закалка и от-
пуск.
В развитии термической обработки большую роль сыгралй
работы Д. К. Чернова, положившие начало изучению превраще-
ний, происходящих в металле при переходе температуры через
критические точки, и выяснению влияния структуры на прочно-
стные свойства стали.
Ученый обнаружил критические точки (точки Чернова), ко-
торые обозначил символами а, в, с (рис. 104).
13*
195
Д. К. Чернов следующим образом охарактеризовал значение
аив\ «Сталь как бы тверда ни была, будучи нагрета ниже точ-
ки а не принимает закалки, как быстро ее ни охлаждали; напро-
тив того, она становится значительно мягче и легче обрабатыва-
ется пилою. Как только температура стали возвысилась до точ-
ки в, масса стали быстро переходит из зернистой (или вообще
говоря кристаллической) в аморфное воскообразное состояние»1-
По современной терминологии точка а Чернова заключает в
себе весь промежуток (на диаграмме железо-углерод) от точки
Ас, до точки Аез .
Точка в — температура рекристаллизации аустенита, обуслов-
ленная внутренним наклепом. Точка с характеризует окончание
плавления стали.
Превращения в стали при нагреве (образование аустенита).
Нагрев стали при термической обработке в большинстве слу-
чаев применяют для получения структуры аустенита.
Как известно, структура доэвтектоидной стали (см. рис. 21) с
содержанием углерода менее 0,8% при нагреве до температуры
АСх состоит из зерен перлита и феррита. В точке ACl начинается
фазовая перекристаллизация перлита в мелкозернистый аусте-
нит. При дальнейшем нагреве от температур АСх до Аез избы-
точный феррит растворяется в аустените и при достижении тем-
пературы Аез (соответствует линии GSE на диаграмме состоя-
ния железо-углерод) превращения заканчиваются. Выше точки
АСз структура стали состоит только из аустенита.
Таким же образом происходят превращения при нагреве за-
эвтектойдной стали, но с той лишь разницей, что выше темпера-
туры в аустените начинает растворяться избыточный це-
ментит. Выше точки А ст структура состоит только из аустенита.
По окончании превращений, после того как весь перлит пе-
рейдет в аустенит, структура стали имеет большое количество
мелких аустенитных зерен. На скорость процесса образования
аустенита и выравнивание его концентрации влияет ряд факто-
ров. С повышением температуры эти процессы ускоряются. Ле-
гирующие элементы в стали—хром, вольфрам, молибден и др.—
замедляют процесс образования аустенита.
Аустенит неоднороден по химическому составу. В тех
местах, где были пластинки цементита, аустенит богаче углеро-
дом, а где пластинки феррита — беднее. Поэтому при терми-
ческой обработке для выравнивания химического состава зерен
аустенита сталь нагревают немного выше верхней критической
точки АСз и выдерживают некоторое время при этой темпера-
туре. При дальнейшем повышении температуры мелкие зерна
аустенита (начинают соединяться между собой, и чем выше тем-
пература нагрева, тем интенсивнее увеличиваются размеры зе-
рен. В стали различают три вида зерен: начальные, действитель-
ные и природные.
196
термической
обработки.
105.
Рис
стандартных
размеров
Шкала
зерна (XlO(i)
Под начальным зерном аустенита подразумевают размер зер-
на в момент окончания превращения перлита в аустенит.
Действительное зерно аустенита — это зерно, полученное в
данных конкретных условиях нагрева. Величина такого зерна
зависит от метода выплавки стали и вида последнего нагрева
под закалку или отжиг. Величину действительного зерна можно
регулировать режимами
Природное (наслед-
ственное) зерно харак-
теризуется способно-
стью к росту зерна
аустенита. В сталях
даже одинакового хи-
мического состава зер-
но аустенита может ра-
сти с различной ско-
ростью. Это зависит
от свойств стали дан-
ной плавки. В свя-
зи с этим стали делят-
ся на мелкозернистые и
крупнозернистые. У
мелкозернистых сталей
мелкое зерно сохра-
няется при температуре
950—1000° С, а у круп-
нозернистых сталей
зерно начинает быстро
расти даже при нагреве
немного выше 800° С.
Величину зерна нахо-
дят путем сравнения
микроструктуры стали
при увеличении в 100
раз со стандартными
размерами зерен (рис.
105), разделенными
ГОСТ 5639—51 на восемь номеров (классов). От №
зерна считаются крупными, а с № 5 до № 8 мелкими.
Превращения в стали при охлаждении (распад аустенита).
Аустенит является устойчивым только при температуре выше
723° С (точка АГ1 ). При охлаждении стали, предварительно на-
гретой до аустенитного состояния, ниже точки АГ{ , аустенит ста-
новится неустойчивым—начинается его превращение.'
Если эвтектоидную углеродистую сталь с содержанием угле-
рода 0,8% начать медленно охлаждать, то при температуре, со-
ответствующей линии PSK, аустенит превратится в перлит, т. е.
197
1 ДО Лb 4
в механическую смесь феррита и цементита. Этот процесс так-
же подчиняется законам кристаллизации.
Изучение процесса превращения аустенита в перлит экспери-
ментально проводится не при непрерывном охлаждении, а при
постоянной температуре, т. е. в изотермических условиях. Де-
лается это следующим образом: образцы исследуемой стали на-
гревают до температуры выше ACi и после выдержки, необхо-
димой для полного нагрева, быстро переносят в ванну, темпера-
тура которой ниже ACl . Таким образом, превращение аустенита
800
§700
400
&
к 300
200
100
О
-50
-----------,----г
Аустенвт
ла-
ipoocmtum
беинит
Л устенйп
~ мартенситное превращение
И~*~~Перлит
Сорбит i/^
45
|/Ж
A(723j\
I Марте нсcbn +аустен\т
। ' mP-sw ; I ~
мартенсит \ ; I
Ю 103 103 10й Ю3 Сек
Логарифм времени
Рис. 106. Диаграмма изотермического
превращения аустенита для стали с
0,8% углерода
в перлит происходит во вре-
мя нахождения стального
образца в этой ванне.
Превращение аустенита
при постоянной температуре
можно изобразить в виде
диаграммы изотермического
превращения (рис. 106),осо-
бенностью которой является
измерение температуры че-
рез каждые 50°С (при 700°,
650°, 600° и т. д.). По гори-
зонтальной оси диаграммы
наносится время в логариф-
мической шкале. Это дает
возможность проследить
превращения, протека-
ющие за промежуток от
долей секунды до
суток и более. По вертикаль-
ной оси откладывается тем-
Я
я
пература, соответствующая шкале.
Охлаждая стальной образец до 700° С и выдерживая его при
этой температуре, видим, что в течение времени до точки а, т. е.
до пересечения горизонтали, соответствующей 700° С, с кривой
/, в аустените никаких превращений не происходит. Этот период
времени называют инкубационным. В точке а начинается распад
аустенита, продолжающийся до точки 6, где происходит превра-
щение аустенита в перлит. Охлаждая образец до 650° С, т. е.
до точек начала а\ и конца Ь\ распада аустенита, можно заме-
тить, что инкубационный период распада и период распада аусте-
нита уменьшаются, в результате чего образуется сорбит. При
охлаждении образца до 500° С (до точек распада аустенита
а2 и Ь2) аустенит превращается в троостит. Ниже температуры
500° С образуется структура, 'называемая бейнитом или игольча-
тым трооститом. Соединяя перечисленные точки (а с а\ и а2
и Ь с Ь\ и Ьг), получаем две С-образные кривые. Кривая I соот-
ветствует началу превращения, а кривая II — окончанию распа-
198
этих температурах, соответ-
Логиршрм времени
Рис. 107. Нанесение кривых охлажде-
ния v3, и3, и4, vKp и v6
на диаграмму изотермического рас-
пада аустенита
да аустенита. Точку Мн называют точкой начала мартенситно-
го превращения, а точку Мк — точкой окончания мартенситного
превращения.
Диаграмма изотермического распада строится в координатах
температура — время. Поэтому на диаграмму изотермического
распада аустенита можно нанести термические линии охлажде-
ния Уь у2, ^4, ^5, ^кр (рис. 107).
При медленном охлаждении образца линия in пересечет кри-
вую I и II в точках ах и Ь\. П
ствующих положениям точек
ai и произойдет превраще-
ние аустенита в перлит.
При большой скорости ох-
лаждения прямая линия у2 пе-
ресечет кривые в точках а2 и
62 и переохлажденный аустенит
полностью превратится в сор-
бит.
При еще больших скоростях
охлаждения прямая линия у3
займет положение точек а3 и Ь3
и образуется новая структу-
ра — троостит.
Далее, по мере ускорения
процесса охлаждения, прямые
линии будут все круче (линия
и U5) и первое превращение
аустенита в троостит не успеет
закончиться. Оставшаяся часть
переохлажденного аустенита
(в точках и а5) «начнет пре-
вращаться в троостит с мартенситом.
Наконец, при наибольших скоростях охлаждения, когда пря-
мая линия Vq не касается кривой I (начала распада аустенита),
а пересекает горизонталь Л1, в стали получается только мартен-
сит. Такое охлаждение вызывает закалку.
Наименьшую из скоростей охлаждения, при которой в зака-
ливаемой стали из аустенита образуется только мартенсит, на-
зывают критической скоростью закалки иКр . Величина уКр име-
ет важное практическое значение в процессе термической обра-
ботки. Чтобы закалить сталь, ее необходимо охлаждать со ско-
ростью, не меньшей, чем критическая.
Продуктами распада аустенита, как уже говорилось, являют-
ся мартенсит, троостит и сорбит.
Мартенсит в закаленной стали (рис. 108, а) представляет
собой твердый раствор углерода в решетке a-железо, т. е. в
объемно-центрированной тетрагональной кристаллической ре-
199
шетке. Углерод находится в центре грани. Микроструктура
мартенсита характеризуется игольчатостью и высокой твердо-
стью (HRC 64—65), высоким пределом прочности, большой
хрупкостью и магнитными свойствами. Мартенсит в закаленной
стали является неустойчивой структурой (метастабильной), по-
этому при отпуске из него выделяется углерод и образуются зер-
на цементита. Это приводит к получению структуры троостита
или сорбита отпуска.
Рис. 108. Продукты распада аусте-
нита:
а — мартенсит, б — троостит, в — сорбит
(Х400)
Троостит (рис. 108, б) представляет собой смесь цементи-
та и феррита. Он менее хрупок и тверд, чем мартенсит (его твер-
дость HRC 40—45). Троостит отпуска является весьма ценной
структурой для деталей, работающих при переменной нагрузке,
как например пружин, рессор и т. д.
Сорбит (рис. 108, в) —это смесь, состоящая из феррита и
мелких зерен цементита. Сорбит отпуска имеет твердость HRC
30—40. Он отличается высоким пределом упругости при доста-
точной ударной вязкости. Поэтому сорбитообразную структуру
используют для деталей, подвергаемых переменным нагрузкам.
§ 2. ОТЖИГ И НОРМАЛИЗАЦИЯ СТАЛИ
Отжиг. Отжиг — это первичная операция термической обра-
ботки, при которой стали нагревают до определенных темпера-
тур, выдерживают при этих температурах и затем медленно
охлаждают вместе с печью.
Цель и назначение отжига так же разнообразны, как и вы-
200
^юоо-
§ а
§ 900
§ 800-
й?
700-
600-
jp~i~n пп rm m "
пуск ।
/7 ,1..............
O.f 0.3 0,3* 0.7 0.9 1.1 1.3
Схема температур наереда при
различных ваоах отжиеа
Рис. 109. Схема температур при различ-
них видах отжига
полнение. Отжиг применяют для снятия внутренних напряжений,
повышения механических свойств металла, улучшения обраба-
тываемости режущим инструментом, снижения твердости и для
подготовки структуры к дальнейшей термической обработке.
В зависимости от температуры нагрева и назначения различа-
ют следующие виды отжига: полный, неполный, отжиг на зерни-
стый перлит, изотермический, диффузионный и т. д.
Полный отжиг.
Полный отжиг осуществ-
ляется главным образом
после горячей механичес-
кой обработки и литья уг-
леродистых и легирован-
ных сталей. Основной
целью полного отжига
кованых и литых дета-
лей является измельчение
зерна, смягчение металла
для улучшения его обра-
ботки режущим инстру-
ментом и устранение внут-
ренних напряжений. Это
достигается нагревом, не
превышающим 20—40° С
верхней критической точ-
ки АСз , и медленным ох-
лаждением.
Температуру нагрева для деталей, изготовленных из углеро-
дистых сталей, определяют по диаграмме состояния (рис. 109),
а для легированных сталей — по положению их критической точ-
ки Ас3 , имеющейся в справочных таблицах.
Время выдержки при температуре отжига обычно склады-
вается из времени, необходимого для полного прогрева всей мас-
сы деталей, и времени, нужного для окончания структурных
превращений. После отжига сталь медленно охлаждают вместе
с печью. Детали, изготовленные из углеродистой стали, охлаж-
дают со скоростью 180—200° С в час., из низколегированных
сталей — со скоростью 90—100° С в час., из высоколегирован-
ных — со скоростью примерно 50° С в час. Высоколегированные
стали целесообразнее подвергать изотермическому отжигу.
В результате полного отжига деталей, изготовленных из до-
эвтектоидной углеродистой стали, получается пластинчатый
перлит, а зерна феррита располагаются в виде разорванной
сетки.
Структура фасонных литых деталей, изготовленных из стали
с содержанием углерода от 0,15 до 0,45%, обычно неоднородна,
т. е. состоит из очень крупных и мелких зерен, а механические
201
свойства такой стали неудовлетворительны. Поэтому для повы-
шения механических свойств, измельчения зерна и снятия внут-
ренних напряжений литые детали нужно обязательно подвер-
гать полному отжигу.
Структура литой стали с содержанием 0,35% углерода до от-
жига показана на рис. ПО, а, после отжига — на рис. ПО, б.
Неполный отжиг. Если до отжига структура стали
была удовлетворительная, но сталь обладает повышенной твер-
Рис. ПО- Структура литой стали:
а — до отжига, б — после отжига (Х400)
достью и в деталях имеются внутренние напряжения, то целесо-
образнее применять неполный отжиг. Детали при таком отжиге
нагревают при температуре, немного превышающей точку ACl .
Неполный отжиг изменяет структуру перлита, однако, структура
феррита может оставаться неизменной. Внутренние напряже-
ния снимаются полностью, и сталь получает пониженную твер-
дость и хорошо обрабатывается механически.
Отжиг на зернистый перлит (сфероидизация). За-
эвтектоидные высокоуглеродистые инструментальные стали со
структурой пластинчатого перлита имеют плохую обрабатывае-
мость режущим инструментом. Поэтому заэвтектоидные углеро-
дистые и легированные стали подвергают отжигу только на зер-
нистый перлит.
Получение зернистого перлита достигается специальным ви-
дом отжига, близким по своему режиму к неполному отжигу.
Сталь нагревают немного выше ACl с последующим охлажде-
нием сначала до 700° С, затем до 550—600° С и далее на воздухе.
Особенно важным для получения зернистого перлита является
точное соблюдение температурного режима, так как при очень
медленном охлаждении зернистый перлит получается с крупны-
ми зернами, а часто с отдельными пластинками перлита, а при
более быстром охлаждении образуется мелкозернистый (точеч-
ный) перлит. Поэтому для получения зернистого перлита целесо-
образно применять циклический или маятниковый отжиг. При
202
таком отжиге сталь нагревают до 760—780° С, после небольшой
выдержки охлаждают вместе с печью до 680—700° С и затем
снова повторяют весь цикл несколько раз.
Изотермический отжиг. Этот вид отжига заключается
в нагреве стали на 30—50° С выше точки ЛСз , охлаждении до
температуры несколько ниже точки АГ1 , изотермической вы-
держке при этой температуре для полного превращения аустени-
та и последующем охлаждении на воздухе. Изотермический от-
жиг позволяет сокращать продолжительность циклов, исполь-
зуемых при обычном отжиге высоколегированной стали, с
15—30 до 4—7 час. и дает однородную структуру. Такой отжиг
особенно необходим для высокохромистых сталей с устойчивым
аустенитом.
Диффузионный отжиг (гомогенизация). Он произво-
дится для устранения или уменьшения химической неоднородно-
сти, получаемой при затвердевании стальных слитков (дендрит-
ная ликвация). Выравнивание химического состава стали и уни-
чтожение дендритной ликвации осуществляется путем диффу-
зии (перемещения) атомов примесей из мест с высокой концен-
трацией в места с низкой концентрацией. Для обеспечения хоро-
ших условий диффузии атомов диффузионный отжиг стали про-
водят при высоких температурах (1100—1200°С), с длительной
выдержкой (от 10 до 15 час.) и медленным охлаждением.
Длительная выдержка при высокой температуре приводит к
укрупнению зерен. Для измельчения зерен после диффузионного
отжига часто применяют обыкновенный отжиг. Такому, отжигу
подвергают слитки хромоникелевых, марганцовистых и других
высококачественных сталей.
Рекристаллизационный (р азупрочняющий)
отжиг. При деформации стали ib холодном состоянии происхо-
дит ее наклеп. Зерна феррита и перлита вытягиваются по на-
правлению деформации. Вследствие этого наклепа искажается
кристаллическая решетка, сталь становится более жесткой,
твердой и пластичность ее резко падает. Для восстановления
пластичности и устранения наклепа деформированную сталь
(обычно листовую) подвергают рекристаллизационному отжигу.
Отжиг обычно производят при температуре 650—680° С, в ре-
зультате чего вместо старых вытянутых зерен в исходной струк-
туре образуются новые, равноосные зерна и сталь становится
мягкой и вязкой.
Для сохранения чистой и блестящей поверхности холоднока-
таных стальных листов и ленты рекристаллизационный отжиг
производят в печах с нейтральной (не окисляющей) атмосферой.
Нормализация. Термическую операцию, при которой сталь на-
гревают до температуры 30—50° С выше верхних критических
точек Аез и Ает, выдерживают при этой температуре и затем
охлаждают на спокойном воздухе, называют нормализацией.
203
Нормализацией устраняют внутренние напряжения и наклеп, по-
вышают механические свойства и подготовляют структуру стали
для окончательной термической обработки.
При нормализации превращение аустенита происходит с
большей степенью переохлаждения, чем при отжиге, поэтому
перлит имеет более тонкую структуру. В результате нормализа-
ции сталь получает -нормальную, однородную мелкозернистую
структуру. При нормализации среднеуглеродистых и малолеги-
рованных сталей образуется структура сорбитообразного перли-
та или сорбита и свободного феррита. При этом прочность и
ударная вязкость нормализованной стали значительно выше,
чем отожженной. Например, у хромистой стали 40Х после отжи-
га сГд, = 65,5 кгс!мм2, <5 = 21 %, ак =5,6 кгсм!см2, а после нормали-
зации вь =75,4 кгс!мм2\ 6 = 20,9%; ак =7,8 кгсм)см2. Нормали-
зация стали по сравнению с отжигом является более коротким
процессом термической обработки, а следовательно, и более
производительным/Поэтому углеродистые стали целесообразнее
нормализовать, а не отжигать.
Дефекты и брак при отжиге и нормализации. В процессе от-
жига и нормализации может возникать неисправимый и испра-
вимый брак (дефекты). Наиболее распространенными видами
дефектов и брака являются: окисление, обезуглероживание, пе-
регрев и пережог стали.
Окисление. При нагреве в пламенных или электрических
печах поверхность стальных деталей взаимодействует с печны-
ми газами. В результате металл окисляется и на деталях обра-
зуется окалина. С повышением температуры и времени выдерж-
ки окисление резко возрастает. Образование окалины не только
вызывает угар (потерю) металла, но и искажает геометрическую
форму деталей. Поверхность стали под окалиной получается
разъеденной и неровной, что затрудняет обработку металла ре-
жущим инструментом. Окалину с поверхности деталей удаляют
или травлением в серной кислоте, или очисткой в дробеструйных
установках.
Обезуглероживание. Обезуглероживание, т. е. выго-
рание углерода с поверхности деталей, всегда, происходит при
окислении стали. Обезуглероживание резко снижает прочност-
ные свойства конструкционной стали.
Кроме того, детали с обезуглероженной поверхностью склон-
ны к закалочным трещинам и короблению. Особенно большое
обезуглероживание наблюдается при нагреве металла в элек-
трических печах.
Для предохранения деталей от окисления, а следовательно
и от обезуглероживания, в процессе отжига, нормализации и за-
калки применяют неокисляющие (контролируемые) атмосферы.
Для защиты деталей и заготовок от окисления и обезуглеро-
живания при высоких температурах в рабочее пространство
204
печи вводят защитные газы. Можно также создать защитную
(контролируемую) атмосферу, которая может быть науглерожи-
вающей.
Контролируемые атмосферы обычно вводят при отжиге или
закалке в рабочее пространство печи. В зависимости от химиче-
ского состава контролируемые атмосферы могут быть нейтраль-
ными, восстановительными или науглероживающими.
Контролируемые атмосферы ^получают различными методами:
разложением аммиака на азот (25%) и водород (75%), гази-
фикацией древесного угля, осветительного керосина и т. п.
Наиболее универсальной и эффективной газовой средой яв-
ляется эндотермическая, получаемая в результате переработки
природного газа в специальных установках — эндотермических
генераторах.
Под эндотермической понимается атмосфера, получаемая в
генераторах, где реакции протекают с поглощением тепла.
Эндотермическая атмосфера имеет следующий состав: ~ 2О°/о
СО; ~ 40 % Н2;~40% N2.
Она может быть использована почти для всех термических
и химико-термических операций, причем состав ее можно регули-
ровать по точке росы.
Перегрев. Сталь перегревается при очень высокой тем-
пературе отжига и нормализации, а также при большой вы-
держке. При перегреве зерна в стали укрупняются, что ведет
к снижению прочности, вязкости и образованию закалочных тре-
щин. Такой дефект стали устраняют повторным правильным от-
жигом или нормализацией.
Пережог. При нагреве до высоких температур получается
пережог стали, выражающийся в оплавлении поверхности де-
талей и окислении зерен. При высокой температуре нагрева
кислород из окружающей печной атмосферы проникает внутрь
нагретой стали, при этом границы зерен сильно окисляются.
Сталь теряет пластические свойства, прочность и становится на-
столько хрупкой, что при малейших ударах разрушается. Переж-
женную сталь исправить термической обработкой невозможно,
поэтому она идет на переплавку.
§ 3. ЗАКАЛКА СТАЛИ
Закалкой стали называют такую операцию термической об-
работки, при которой стальные детали нагревают до температу-
ры, несколько выше критической, выдерживают при этой тем-
пературе и затем быстро охлаждают в воде или масле.
Основное назначение закалки — получение стали с высокими
твердостью, прочностью, износостойкостью и другими свой-
ствами. Качество закалки зависит от температуры и скорости
нагрева, времени выдержки и скорости охлаждения.
Температуру нагрева под закалку для большинства сталей,
205
1Z00
Аустенит
А-Ц\
2
^//00
W00 — kнелегал
§ закалочных
§ 9100 температур
g' 900
.1 *с, К
ф 600
О 0/f 0,8 1,2 1,6 2,0 2,4
Содержание углерода, %
Рис. 111. Оптимальный интервал зака-
лочных температур углеродистых сталей
в том числе и легированных, определяют по положению критиче-
ских точек Ас. и Ас3 . Для углеродистых сталей температуру
закалки можно легко установить по диаграмме железо — угле-
род (см. рис. 21).
Доэвтектоидные стали нагреваются на 30—50° С выше точки
Д^3,а заэвтектоидные — на 30—50° С выше точки ЛС1 (рис. 111).
Из рисунка видно, что с увеличением углерода в стали темпера-
тура нагрева под закалку уменьшается. Например, сталь 45 за-,
каливается при температуре 840—850° С (точка /), а сталь У10'
с более высоким содержани-
ем углерода — при темпера-
туре 760—780° С (точка 2).
Быстрорежущие, нержа-
веющие и другие специаль-
ные стали закаливают при
более высоких температурах
нагрева, чем углеродистые и
малолегированные конструк-
ционные и инструменталь-
ные. Например, для нержа-
веющей стали марки 4X13
температура под закалку
берется равной 1050—
1100° С.
Быстрорежущую сталь
Р18 закаливают при темпе-
ратуре 1260—1280°С (для
инструмента диаметром 10—
15 мм — сверл, разверток и т. д.) и 1280—1300° С (для инстру-
мента простой формы — резцов). Такая высокая температура на-
грева под закалку быстрорежущей стали необходима для того,
чтобы полнее растворить избыточные карбиды и больше пере-
вести их в твердый раствор хрома, вольфрама, ванадия и дру-
гих легирующих элементов, входящих в состав стали.
Скорость нагрева. Нагрев стали определяется не только
допустимой, но и возможной скоростью нагрева. Допустимая
скорость должна быть такой, чтобы нагрев не вызывал больших
напряжений, приводящих к образованию трещин в деталях.
Скорость нагрева зависит от формы деталей, типа нагрева-
тельных печей и нагревательной среды. Например, шар нагре-
вается в три раза, а цилиндр — в два раза медленнее, чем пла-
стинка. С увеличением скорости нагрева производительность
нагревательных печей и агрегатов тоже повышается.
Скорость нагрева зависит также от расположения деталей
в печи. Если детали плотно располагаются одна к другой и ме-
шают необходимому доступу тепла, то потребуется больше вре-
мени для их прогрева.
206
Таблица 28
ЗИЛ, механический цех Типовая технологическая карта термической обработки |М 1 карты
Наименование деталей Марка стали: 12ХНЗА Глубина цем. слоя, мм Твердость^ | по HRC 1 -
Ротор к насосу Химический состав, °/0
С=0,10—0,16°/о; С=0,6—0,9°/о; Ni=2,75—3,25°/О; Мп=0,3—0,6°/о; Si=0,17—0,37°/о; S<0,03; Р=0,035°/о 0,9-1,1 62-64
Е С Наименование операции Глубина цементо- ванного слоя, мм Темпе- ратура нагрева, °C Время вы- I держки Давление газа 1 Твердость по HRC Обору- дование Приспо- собления и инстру- мент Примечание
1 Цементация 0,9-1,1 930-940 5,5— 6,5 час. Избыточное давление газа в печи 1 20—25 мм вод. ст. Шахтная печь Ц-105 Т-1 1. Режим охлаждения цементо- ванных деталей производить со- гласно графику для сталей 12ХНЗА, 12Х2Н4А 2. Загрузка деталей производит- ся в корзинах; при укладке между деталями должен сохраняться просвет от 5 до 8 мм
2 Промежуточ- ный контроль Микроскоп или лупа Х7
3 Закалка 820—830 10-12 мин. 63—65 Соляная ванна Крючки
4 Отпуск 180-200 90 мин. Масляная ванна Сетка
5 § Контроль по твердости, 100о/о 62-64 Роквелл Призма
Продолжение табл. 28
№ п 'п | Наименование операций Глубина цементо- ванного слоя, мм Темпе- ратура нагрева, сС Время вы- держки Давление газа Твердость 1 по HRC Обору- дование Приспо- собления и инстру- мент Примечание
6 7 i Шлифовка (предвари- тельная) 0,7-0,9 Смотри тех- нологическую карту по шли- фовке Избыточное давление газа в печи 20—25 мм вод. ст. 3. Дробь для очистки внутрен- них полостей должна быть гране- ной, размером 1—3 мм в диаметре 4. Детали должны быть сухими и чистыми без следов масла
Старение 139 — 140 15 час. 62—64 Масляная ванна Сетка
8 Промывка 80-90 2 час. Промывной бак Сетка
9 Очистка мел- кой граненой дробью Аппарат- штуцер Шланг и сетка
10 Окончатель- ный контроль, 100% Проверка поверхности на наличие трещин, забоин, волосовин
Нач. термического отдела
Металлург цеха
Нач. тех. части цеха
Утверждаю: Гл. металлург заводи
Для расчета времени нагрева деталей термисты обычно
пользуются технологическими картами.
В технологическую карту входит перечень всех операций об-
работки детали или группы деталей с указанием подробных дан-
ных по этим операциям (температура, время выдержки, среда
и температура охлаждения и применяемые приспособления).
В табл. 28 приведена технологическая карта термической об-
работки ротора гидронасоса.
Среднее время нагрева деталей из углеродистых сталей под
закалку в различных средах приведено в табл. 29.
Таблица 29
Время нагрева деталей под закалку в различных средах
Нагревательные устройства Темпера- тура на- грева, °C Время нагрева (сек.) 1 мм диаметра или толщины деталей с сечением|
круглым квадратным прямоуголь- ным
Электрическая печь . . 800 40-50 50—60 60—75
Пламенная печь .... 800 35-40 45—50 55-60
» » . . . . 1300 15—17 17—19 19-22
Соляная ванна . . . . 800 12-15 15-18 18—22
» » . . . . 1300 7-8 8-10 10-12
Для проведения любого теплового процесса термической об-
работки нужно не только нагревать металл до заданной темпе-
ратуры, но и выдерживать при этой температуре до полных
структурных превращений (растворения карбидов, гомогениза-
ции аустенита) и полного прогрева деталей. Таким образом об-
щее время пребывания деталей в нагревательной среде состоит
из времени нагрева и времени выдержки.
Закалочные среды. Для охлаждения стальных деталей при
закалке обычно применяют различные закалочные среды: воду,
водные растворы солей, расплавленные соли, минеральные масла
и т. д. Закалочные среды резко отличаются друг от друга по
своим физическим свойствам, т. е. они с разной интенсивностью
отнимают тепло от нагретых под закалку деталей.
Наилучшей закалочной средой считается та, которая быстро
охлаждает сталь в интервале температур 650—500° С (область
наименьшей устойчивости аустенита) и медленно — ниже
300—200° С (область мартенситного превращения). Однако
единой, универсальной закалочной среды пока еще нет, поэтому
на практике пользуются различными средами (табл. 30).
14-1134 209
Таблица 30
Скорость охлаждения стали в зависимости от закалочных сред
Закалочная среда Скорость охлаждения град1сек в интервале температур, °C
600—500 300-200
Вода при 20° С (спокойная) 600 270
Вода при 20° С (циркулирующая) 350 700
Вода при 40° С 100 270
Вода дистиллированная при 20° С 250 200
Вода при 80° С 30 200
10-процентный раствор поваренной соли в воде 1100 300
10-процентный раствор едкого натра в воде 1200 300
10-процентный раствор соды в воде (Na2CO3) 800 270
Минеральное масло при 20° С 120 25
Из таблицы видно, что в 10-процентном водном растворе ед-
кого натра или поваренной соли скорость охлаждения стали в
области трооститных превращений (600—500° С) в два раза
больше скорости охлаждения в пресной воде. В области мартен-
ситных превращений (300—200° С) соленая и пресная вода
охлаждают сталь почти одинаково. Это преимущество водных
растворов солей используется в практике термической обработ-
ки. Однако термисты чаще всего применяют 5—10-процентный
раствор поваренной соли, так как он не разъедает сталь и не
действует на руки рабочих, как обезжиривающий едкий натр
(каустик).
Для закалки инструмента из сталей У10, У12 водные раство-
ры, чтобы уменьшить коробление стальных деталей, обычно по-
догревают до 30° С.
В отличие от воды закаливающая способность масла мало
зависит от температуры, а скорость охлаждения в масле во мно-
го раз меньше, чем в воде. Поэтому, чтобы уменьшить напряже-
ние и избежать образования закалочных трещин, для закалки ле-
гированных сталей с более низкой теплопроводностью, чем у
углеродистых сталей, используют минеральное масло — веретен-
ное № 2 и 3. При отсутствии масла рекомендуется применять го-
рячую воду (80°С).
Для получения стабильных результатов при закалке необхо-
димо пользоваться одним сортом масла, периодически меняя его
или освежая.
Следует отметить, что в процессе охлаждения при закалке в
воде вокруг деталей образуется паровое окружение, так назы-
ваемая паровая рубашка. Так как пар является плохим провод-
210
ником тепла, то скорость охлаждения стали резко уменьшается.
Кроме того, паровая рубашка ухудшает прокаливаемость стали,
приводит к появлению мягких пятен на поверхности закаливае-
мых деталей, а иногда и трещин. Поэтому опытные термисты
обычно закаливают детали в циркулирующей воде, непрерывно
перемещая их в вертикальном или горизонтальном направлени-
ях (рис. 112).
Внутренние напряжения. В процессе термической
обработки, вследствие неодновременности превращений и тепло-
вого расширения и сжа-
тия, в разных точках об-
рабатываемой детали воз-
никают внутренние на-
пряжения. Напряжения
могут превосходить не
только предел упругости
или предел текучести, но
и сопротивление разру-
шению. В последнем слу-
Рис. 112. Способ охлаждения деталей
при закалке:
/ — клещи, 2 — закаливаемая деталь, 3 — за-
калочный бак, 4 — охлаждающая среда, 5 —
чае внутренние напряже-
ния образуют трещины
или даже разрушают де-
таль.
Внутренние напряже-
путь детали при охлаждении
ния могут быть двух ВИ-
ДОВ— термические и структурные. Термические внутренние на-
пряжения возникают вследствие неравномерности охлаждения
поверхности детали и ее внутренних слоев.
Если деталь имеет сплошное сечение, то при любом охлаж-
дении поверхность охлаждается быстрее, а сердцевина — мед-
леннее. В результате во время охлаждения деталь будет иметь
разные температуры и разный удельный объем в разных точ-
ках по сечению. Эта разность температур будет тем больше, чем
больше отличаются скорость охлаждения на поверхности от
скорости охлаждения в центре детали.
Стали, легированные хромом, молибденом, вольфрамом, об-
ладают меньшей теплопроводностью, чем углеродистые, и при
закалке скорость их охлаждения на поверхности детали и в цен-
тре будет весьма большая.
Для уменьшения скорости охлаждения при закалке и сниже-
ния напряжений в них такие детали из легированной стали под-
вергаются медленному охлаждению только в масле или струе
воздуха.
Структурные внутренние напряжения, как и термические на-
пряжения, возникают вследствие неодновременности превраще-
ний во время охлаждения металла и вследствие различных
структурных превращений в разных точках сечения детали.
14*
211
Так, при охлаждении высокоуглеродистой стали, нагретой
выше критической точки, аустенит превращается в мартенсит и
эти превращения сопровождаются изменением объема (образо-
вание мартенсита всегда увеличивает объем). Поверхностные
слои, где превращения заканчиваются рано, охлаждаясь, испы-
тывают растягивающие напряжения от промежуточной зоны, в
которой превращения продолжаются. С течением времени пре-
вращения охватывают все более глубокие слои в детали и дохо-
дят до сердцевины. Но этим превращениям в сердцевине препят-
ствуют наружные остывшие слои.
Следовательно, в сердцевине на-
растают сжимающие напряжения,
а с поверхности растягивающий
момент наибольшей разности на-
пряжений всегда опасен, так как
часто вызывает появление в ме-
талле трещин. Установлено, что
трещины вызывают не сжимаю-
щие напряжения, а растягиваю-
щие.
На величину остаточных на-
пряжений влияет ряд факторов.
Наиболее существенными из них
являются: свойства стали (прока-
ливаемость, температура мартен-
ситного превращения, коэффици-
ент линейного расширения), сре-
да и условия охлаждения, а так-
же форма и размер детали.
Рис. 113. Кривые охлаждения для
различных способов закалки, на-
ложенные на диаграмму изотер-
мического распада аустенита
Способы закалки. Под способами закалки подразумевают спо-
собы охлаждения деталей в закалочном баке и выбор закалоч-
ного охлаждения для получения заданной структуры металла.
Чем сложнее по форме деталь, тем серьезнее следует подходить
к выбору ее охлаждения. Резкие переходы в сечениях деталей
способствуют концентрации внутренних напряжений. Поэтому
нужно выбирать такой способ закалки, чтобы детали получались
с хорошей твердостью, необходимой структурой и без трещин.
Основными способами закалки стали являются: закалка в
одном охладителе, в двух средах, струйчатая, с самоотпуском,
ступенчатая и изотермическая закалки.
Закалка в одном охладителе—наиболее простой
и распространенный способ (рис. 113, кривая а). Деталь, нагре-
тую до температуры закалки, погружают в закалочную жид-
кость, где она находится до полного охлаждения. Этот способ
используют при закалке несложных деталей, изготовленных из
углеродистых и легированных сталей. Детали из углеродистых
сталей охлаждаются в воде (за исключением деталей диамет-
212
ром не более 3—5 мм); а детали из легированных сталей — в
масле. Можно использовать такой способ и при механизирован-
ной закалке, когда детали автоматически поступают из агрегата
в закалочную жидкость.
Для высокоуглеродистых сталей такой способ закалки не-
приемлем, так как в процессе закалки создаются большие внут-
ренние напряжения. Высокоуглеродистые стали закаливают с
подстуживанием, т. е. нагретую деталь перед охлаждением неко-
торое время выдерживают на воздухе. Это уменьшает внутрен-
ние напряжения в деталях и гарантирует их от образования тре-
щин.
Закалка в двух средах, или прерывистая за-
калка, — это способ, при котором деталь сначала охлаждают
в одной закалочной быстроохлаждающей среде — воде, а затем
переносят ее в медленноохлаждающую среду — масло (рис. 113,
кривая Ь). Он применяется при закалке инструмента, изготов-
ленного из высокоуглеродистой стали.
Недостаток прерывистой закалки заключается в том, что
трудно установить время пребывания детали в первой охлаж-
дающей жидкости, так как оно очень незначительно (1 сек. на
каждые 5—6 мм диаметра или толщины детали). Излишняя вы-
держка в воде ведет к увеличению коробления и появлению
трещин.
Применение прерывистой закалки требует от термиста высо-
кой квалификации и опыта.
Струйчатая закалка осуществляется охлаждением де-
талей, нагретых до температуры закалки, струей воды. Такой
способ применяют для закалки внутренних поверхностей, выса-
дочных штампов, матриц и другого штампового инструмента, у
которого рабочая поверхность должна иметь структуру мартен-
сита.
При струйчатой закалке паровая рубашка не образуется, что
обеспечивает более глубокую прокаливаемость, чем при про-
стой закалке в воде. Скорость охлаждения при этом зависит от
температуры, напора воды, диаметра и количества отверстий в
брызгале и от угла, образованного струей воды с охлаждаемой
поверхностью детали.
Закалка с самоотпуском — это способ, заключаю-
щийся в том, что детали выдерживают в охлаждающей среде не
до полного охлаждения, т. е. в определенный момент охлаждение
прекращают, чтобы сохранить в сердцевине детали тепло, необ-
ходимое для самоотпуска. Этот момент устанавливается опыт-
ным путем, поэтому качество термической обработки будет во
многом зависеть от мастерства термиста.
Контроль за температурой отпуска при этом способе закалки
осуществляется по цветам побежалости, возникающим на свет-
лой поверхности детали. Появление цветов побежалости при тем-
213
пературе 200—300° С объясняется образованием на поверхности
стали тонкой пленки окисла, цвет которого зависит от его тол-
щины. Например, за небольшой промежуток времени при 220° С
сталь покрывается слоем окисла, толщиной 400—450 ангстрем,
который придает поверхности светло-желтый цвет.
Закалку с самоотпуском применяют только для закалки
ударного инструмента — зубил, бородков, кернов и т. д., так как
у такого инструмента твердость должна равномерно и посте-
пенно понижаться (от рабочей части к хвостовой).
Ступенчатая закалка — это такой способ, при кото-
ром нагретые детали охлаждают в медленно охлаждающей за-
калочной среде (например, расплавленная соль, горячее мас-
ло), имеющей температуру для данной стали выше мартенсит-
ной точки (рис. 113, кривая с). За время короткой выдержки
в горячей среде (масле) температура выравнивается, причем это
происходит раньше, чем начинается мартенситное превращение.
После этого осуществляется окончательное, обычно медленное
охлаждение, во время которого деталь закаливается.
Ступенчатая закалка способствует уменьшению внутренних
напряжений, происходящих благодаря незначительной скоро-
сти охлаждения. В результате уменьшается деформация деталей
и почти полностью исключается возможность появления закалоч-
ных трещин.
Ступенчатую закалку широко применяют в массовом произ-
водстве, особенно при изготовлении инструмента. Она позволя-
ет править и рихтовать детали в горячем состоянии, так как в
момент превращения сталь обладает большой пластичностью.
Для ступенчатой закалки целесообразнее всего использовать
глубоко прокаливающиеся углеродистые и легированные стали
марок 9ХС, ХГ, ХВГ и др.
Изотермическая закалка — это способ, состоящий
в нагреве деталей до заданной температуры и охлаждении в изо-
термической среде до 220—350° С, что несколько превышает тем-
пературу начала мартенситного превращения (рис. 113, кри-
вая d).
Выдержка деталей в закалочной среде при такой закалке
должна быть достаточной для полного превращения аустенита
в игольчатый троостит. После этого производится охлаждение
на воздухе. При изотермической закалке выдержка при темпера-
туре ступеньки значительно больше, чем при ступенчатой закал-
ке, что видно из рис. 113.
Закалочные среды для изотермической закалки те же, что и
для ступенчатой. После изотермической закалки сталь приобре-
тает высокую твердость и более высокую вязкость.
При изотермической закалке необходима достаточно высо-
кая и равномерная скорость охлаждения, что достигается приме-
214
нением ванн с интенсивно перемешивающейся закалочной сре-
дой.
Изотермическую закалку используют при термической обра-
ботке, когда нужно получить детали с максимальной прочно-
стью, достаточной пластичностью и вязкостью. Наиболее целесо-
образно применять изотермическую закалку для тех сталей, кото-
рые имеют небольшую устойчивость аустенита в области изо-
термической выдержки.
Дефекты, возникающие при закалке. В процессе закалки при
охлаждении стали в результате структурных превращений и из-
менения объема металла появляются внутренние напряжения.
Эти напряжения приводят к следующим дефектам: образова-
нию трещин, деформации и короблению, изменению объема
стали, ‘обезуглероживанию и окислению, появлению мягких
пятен, низкой твердости и перегреву.
Закалочные трещины — это неисправимый брак, обра-
зующийся в процессе термической обработки. В крупных дета-
лях, например в матрицах и ковочных штампах, закалочные тре-
щины могут появляться даже при закалке в масле. Поэтому та-
кие детали целесообразно охлаждать до 150—200° С с быстрым
последующим отпуском.
Трещины возникают при неправильном нагреве (перегреве),
большой скорости охлаждения и при несоответствии химического
состава стали.
Закалочные трещины возникают также при неправильной
конструкции деталей, резких переходах, грубых рисках, остав-
шихся после механической обработки, острых углах, тонких стен-
ках и т. д.
Закалочные трещины образуются чаще всего при слишком
резком охлаждении или нагреве в результате возникающих в
деталях внутренних напряжений. Это часто наблюдается при
закалке легированных сталей. Поэтому детали из этих сталей
нагревают медленнее, чем из углеродистых, и более равномерно.
Закалочные трещины обычно располагаются в углах деталей
и имеют дугообразный или извилистый вид.
В заводской практике часто встречаются поверхностные тре-
щины, которые обычно располагаются в виде сплошной или ра-
зорванной сетки. Такие трещины возникают в’процессе поверх-
ностной закалки при нагреве токами высокой частоты или газо-
пламенной закалки, когда охлаждение ведется слишком холод-
ной водой, а также при перегреве металла.
Поверхностные трещины могут возникать не только в про-
цессе термообработки, но и при шлифовании закаленных дета-
лей, если они были неправильно отпущены.
Равномерный отпуск после закалки и правильные режимы
шлифования полностью устраняют возникновение трещин.
Во избежание брака все участки (части) деталей, на которых
215
обычно появляются трещины, обматывают асбестовым шнуром
и замазывают огнеупорной глиной. Строгое выполнение техно-
логических режимов закалки может сократить количество бра-
кованных деталей до минимума.
Деформация и коробление деталей происходят в
результате неравномерных структурных и связанных с ними
объемных превращений и возникновения внутренних напряже-
ний при охлаждении.
Рис. 114. Способы погружения деталей и инстру-
мента в закалочный бак
При закалке стали коробление во многих случаях происхо-
дит и без значительных объемных изменений, в результате не-
равномерного нагрева и охлаждения деталей. Если, например,
деталь небольшого сечения и большой длины нагревать только
с одной стороны, то она изгибается, нагретая сторона при этом
удлиняется благодаря тепловому расширению и становится вы-
пуклой, а противоположная — вогнутой. При одностороннем
охлаждении в процессе закалки (особенно в воде) быстро
охлажденная сторона детали за счет теплового сжатия станет
вогнутой, а обратная сторона — выпуклой. Следовательно, на-
гревать и охлаждать детали при закалке следует равномерно.
216
На деформацию особенно большое влияние оказывает спо-
соб охлаждения. Поэтому при погружении деталей и инструмен-
та в закалочную среду надо учитывать их форму и размеры. Спо-
собы погружения деталей и инструмента в закалочный бак по-
казаны на рис. 114. Например детали, имеющие толстые и тон-
кие части, погружают в закалочную среду сначала толстой ча-
стью, длинные осевые детали (ходовые винты, штоки, протяжки,
сверла, метчики и т. д.) — в строго вертикальном положении, а
тонкие плоские детали (диски, отрезные фрезы, пластинки
и др.) — ребром.
Очень большое значение для уменьшения деформаций и ко-
робление деталей имеют правильно выбранные и изготовленные
приспособления.
На рис. 115 показан ряд наиболее распространенных приспо-
соблений, применяемых в термических цехах.
При газовой цементации и нитроцементации зубчатых колес,
шлицевых и шестеренных валиков, поршневых пальцев, кресто-
вин и других деталей простой и сложной конфигурации приме-
няются специальные и универсальные приспособления.
На рис. 115, а показано приспособление для нитроцемента-
ции в муфельных печах непрерывного действия и безмуфельных
агрегатах зубчатых колес 3 коробки передач грузового автомо-
биля.
Приспособление состоит из поддона 1, кронштейнов 2 и шты-
рей 5. На приспособление укладывается одновременно до 20 зуб-
чатых колес общим весом более 50 кг.
На рис. 115,6 приведен общий вид приспособления для це-
ментации блока-шестерни. Детали 4 надеваются на вертикаль-
но прикрепленные к плите 6 жароупорные штыри 5 и вместе с
приспособлением устанавливаются на поддон.
Для цементации рессорных пальцев используются приспо-
собления с отверстиями (рис. 115, в).
Шестеренные валики обычно подвергаются химико-термиче-
ской обработке в универсальных приспособлениях (рис. 115, г).
Для уменьшения деформаций при длительном нагреве валики 11
устанавливаются в вертикальном положении на решетках 10,
имеющих по углам центрирующие штыри 9. Эти штыри входят
в соответствующие углубления поддона, на которые они уста-
новлены. Валики центрируются при помощи колец 7. Для уста-
новки на поддон приспособление снабжено выступами 8.
При массовом производстве для каждой детали изготовляют-
ся специальные приспособления. Стоимость их изготовления
быстро окупается. При серийном производстве, когда обрабаты-
ваются большие партии разнообразных деталей, более экономич-
но иметь универсальные приспособления.
Приспособления изготовляются литые и сварные из жаро-
упорного сплава Х18Н25С2.
217
г)
Рис. 115. Приспособления для газовой цементации:
а — для зубчатых колес, б — для блока-шестерни, в—для
рессорных пальцев, г — для шестеренных валиков; 1 — под-
дон, 2 — кронштейны, 3 — цементируемое зубчатое колесо,
4 — блок-шестерня, 5 — штыри для загрузки, 6 — плита, 7 —
центрирующее кольцо, 8 — выступы, 9 — центрирующие шты-
ри, 10 — решетки, 11 — валики
Многие детали — зубчатые колеса, диски, плиты во избежа-
ние коробления закаливаются в специальных прессах в штам-
пах.
Обезуглероживание происходит в основном при нагре-
ве в электрических печах и жидких средах (соляных ваннах).
Обезуглероживание инструмента — самый серьезный дефект при
закалке, так как он в несколько раз снижает стойкость инстру-
мента. Однако заметить такой дефект на готовом инструменте
трудно.
На деталях из конструкционных сталей окисление и обезугле-
роживание легко обнаружить при изготовлении микрошлифа.
Мягкие пятна — это участки на поверхности детали или
инструмента с пониженной твердостью. Причинами такого де-
фекта могут быть наличие на поверхности деталей окалины и
загрязнений, вызванных соприкосновением деталей друг с дру-
гом в процессе охлаждения в закалочной среде, участки с обез-
углероженной поверхностью или недостаточно быстрое движе-
ние деталей в закалочной среде (паровая рубашка). Мягкие
пятна полностью устраняются при струйчатой закалке и в под-
соленной воде.
Низкая твердость чаще всего наблюдается при закалке
инструмента. Причинами низкой твердости являются недостаточ-
но быстрое охлаждение в закалочной среде, низкая температура
закалки, а также малая выдержка при нагреве под закалку.
Чтобы исправить этот дефект, детали или инструмент снача-
ла подвергают высокому отпуску при температуре 600—625°С,
а затем — нормальной закалке.
Перегрев при закалке вызывает крупнозернистую струк-
туру с блестящим изломом и, следовательно, ухудшает механи-
ческие свойства стали. Для измельчения зерна и подготовки
структуры для повторной закалки перегретую сталь необходи-
мо подвергать отжигу.
Недогрев получается в том случае, если температура за-
калки была ниже критической точки А Са —для доэвтектоидных
сталей и Ас —заэвтектоидных сталей.
При недогреве структура закаленной стали состоит из мар-
тенсита и зерен феррита, который, как известно, имеет низкую
твердость.
Недогрев можно исправить отжигом с последующей нор-
мальной закалкой.
§ 4. ПРОКАЛИВАЕМОСТЬ СТАЛИ
Прокаливаемостью называют способность стали закаливать-
ся на определенную глубину. Если деталь больших размеров
подвергать закалке, то поверхность ее довольно быстро охлаж-
дается и аустенит превращается в мартенсит, однако у большей
219
части деталей, особенно у сердцевины, охлаждение происходит
менее быстро и аустенит превращается в смесь перлита с ферри-
том или с цементитом.
Прокаливаемость стали зависит от критической скорости за-
калки укр: с увеличением критической скорости закалки глубина
закаленного слоя уменьшается и наоборот, с уменьшением уКр<
деталь прокаливается насквозь. Следовательно, чем меньше кри-
тическая скорость закалки уКр ,тем глубже прокаливаемость.
а — стандартный образец, б — схема установки: 1 — труба для под-
вода воды, 2 — труба, 3 — кронштейн, 4 — стандартный образец, 5 —
бачок для стока воды, 6 — сопло для подачи воды, 7 — труба для
стока воды, 8 — общая сливная труба, 9 — труба для подачи воды
в сопло
Прокаливаемость (глубина закалки) определяется расстоя-
нием от поверхности до слоя с полумартенситной структурой,
т. е. слоя, состоящего из 50% мартенсита и 50% троостита. Про-
каливаемость стали зависит от ее химического состава, величи-
ны природного зерна, метода выплавки и других факторов. На-
пример, такие легирующие элементы, как марганец, хром, мо-
либден, оказывают большое влияние на прокаливаемость, а ни-
кель, кремний — незначительное. С увеличением природного зер-
на прокаливаемость увеличивается и наоборот.
Прокаливаемость стали увеличивается также и с повышени-
ем температуры нагрева и скорости охлаждения.
Способность стали прокаливаться является важным критери-
ем, определяющим ее свойства и применение.
Прокаливаемость определяют различными способами. Наибо-
лее простой способ — это торцовая закалка. Из исследуемой ста-
ли изготовляют цилиндрический образец (рис. 116, а).
220
Этот образец нагревают в электрической печи с защитной
атмосферой до температуры закалки и выдерживают при этой
температуре около 30 мин. После этого образец быстро перено-
сят в закалочную установку (рис. 116, б), закрепляют в крон-
штейне и торец образца охлаждают сильной струей воды. Затем
с двух противоположных сторон цилиндрической поверхности об-
разца снимают шлифованием две лыски — продольные пло-
щадки глубиной 0,2—0,5 мм, и измеряют твердость от торпа
Рис. 117. Полосы прокаливаемости:
а — стали 40Х, б — стали 45
вдоль всей лыски через каждые 1,5 мм. Полученные данные ис-
пользуют для построения диаграммы прокаливаемости
(рис. 117). По вертикальной оси откладывают значение твердо-
сти, а по горизонтальной — расстояние от охлажденного торца.
Так как прокаливаемость зависит от химического состава стали,
величины природного зерна и других факторов, то каждая мар-
ка стали имеет не одну, а две кривые: одну для верхнего, дру-
гую— для нижнего предела прокаливаемости. Эти кривые обра-
зуют так называемую полосу прокаливаемости для каждой мар-
ки стали.
221
§ 5. ПОВЕРХНОСТНАЯ ЗАКАЛКА
Многие ответственные детали работают на истирание и од-
новременно подвергаются действию ударных нагрузок. Такие де-
тали должны иметь высокую поверхностную твердость, хорошую
износостойкость и в то же время не быть хрупкими, т. е. не раз-
рушаться под действием ударов.
Высокая твердость поверхности деталей при сохранении вяз-
кой и прочной сердцевины достигается методом поверхностной
закалки.
Из современных методов поверхностной закалки наибольшее
распространение в машиностроении находят следующие: закалка
при нагреве токами высокой частоты; пламенная закалка и за-
калка в электролите.
Выбор того или иного метода поверхностной закалки обус-
ловливается технологической и экономической целесообразно-
стью.
Закалка при нагреве токами высокой частоты. Такой метод
является одним из самых высокопроизводительных методов по-
верхностного упрочнения металлов. Открытие этого метода и
разработка его технологических основ принадлежит талантли-
вому русскому ученому В. П. Вологдину.
Высокочастотный нагрев основан на следующем явлении.
При прохождении переменного электрического тока высокой ча-
стоты по медному индуктору вокруг последнего образуется маг-
нитное поле, которое проникает в стальную деталь, находящую-
ся в индукторе, и индуктирует в ней вихревые токи Фуко. Эти
токи и вызывают нагрев металла.
Особенностью нагрева ТВЧ является то, что индуктируемые
в стали вихревые токи распределяются по сечению детали не
равномерно, а оттесняются к поверхности. Неравномерное рас-
пределение вихревых токов приводит к неравномерному ее на-
греву: поверхностные слои очень быстро нагреваются до высоких
температур, а сердцевина или совсем не нагревается или нагре-
вается незначительно благодаря теплопроводности стали. Тол-
щина слоя, по которому проходит ток, называется глубиной про-
никновения и обозначается буквой д.
Толщина слоя в основном зависит от частоты переменного
тока, удельного сопротивления металла и магнитной проницае-
мости. Эту зависимость определяют по формуле
8 = 5,03-104 1/ мм,
V
где р — удельное электрическое сопротивление, ом •мм2/м\
ц— магнитная проницаемость, гс/э\
v — частота, гц.
222
Из формулы и из .рис. 118 видно, что с увеличением частоты
глубина проникновения индукционных токов уменьшается. Ток
высокой частоты для индукционного нагрева деталей получают
от машинного и лампового генераторов. Ламповые генераторы
применяют для нагрева мелких деталей на небольшую глубину,
а машинные — для нагрева крупных деталей на большую глуби-
ну (от 2 мм и выше).
При выборе частоты тока, кроме нагреваемого слоя, необхо-
димо учитывать форму и размеры детали с тем, чтобы получить
высокое качество поверхностной закалки и экономно использо-
вать электрическую энергию высокочастотных установок.
а) б) Ь) г)
Рис. 118. Схема изменения глубины проникновения ТВЧ в ме-
талл в зависимости от частоты тока:
а — постоянный ток, б — переменный ток 50 гц, в — переменный ток
10 000 гц, г — переменный ток 125 000 гц
Большое значение для качественного нагрева деталей имеют
медные индукторы.
Наиболее распространены индукторы, имеющие с внутренней
стороны систему мелких отверстий, через которые подается ох-
лаждающая вода. Такой индуктор является одновременно нагре-
вательным и охлаждающим устройством. Как только помещен-
ная в индуктор деталь нагреется до заданной температуры, ток
автоматически отключится и из отверстий индуктора посту-
пит вода и спреером (водяным душем) охладит поверхность де-
тали.
Детали можно также нагревать в индукторах, не имеющих
душирующих устройств. В таких индукторах детали после на-
грева сбрасываются в закалочный бак.
Закалка ТВЧ в основном производится одновременным и не-
прерывно-последовательным способами. При одновременном
способе закаливаемая деталь вращается внутри неподвижного
индуктора, ширина которого равна закаливаемому участку.
Когда заданное время нагрева истекает, реле времени отключа-
ет ток от генератора, а другое реле, сблокированное с первым,
включает подачу воды, которая небольшими, но сильными струя-
ми вырывается из отверстий индуктора и охлаждает деталь.
При непрерывно-последовательном способе деталь неподвиж-
на, а вдоль нее перемещается индуктор. В этом случае происхо-
223
.дит последовательный нагрев закаливаемого участка детали,
после чего участок попадает под струю воды душирующего уст-
ройства, расположенного на некотором расстоянии от индук-
тора.
Плоские детали закаливают в петлевых и зигзагообразных
индукторах, а зубчатые колеса с мелким модулем — в кольцевых
индукторах одновременным способом. Макроструктура закален-
ного слоя мелкомодульного зубчатого колеса автомобиля, изго-
товленного из стали марки ППЗ-55 (сталь пониженной прокали-
ваемости) показана на рис. 119. Микроструктура закаленного
слоя представляет собой мелкоигольчатый мартенсит.
Рис. 119. Макроструктура закаленного слоя мелкомодуль-
ного зубчатого колеса
Твердость поверхностного слоя деталей, закаленных при на-
греве ТВЧ, получается на 3—4 единицы HRC выше, чем твер-
дость при обычной объемной закалке.
Для повышения прочности сердцевины детали перед закал-
кой ТВЧ подвергают улучшению или нормализации.
Применение нагрева ТВЧ для поверхностной закалки машин-
ных деталей и инструмента позволяет резко сократить продол-
жительность технологического процесса термической обработки.
Кроме того, этот метод дает возможность изготовлять для за-
калки деталей механизированные и автоматизированные агре-
гаты, которые устанавливаются в общем потоке механообраба-
тывающих цехов. В результате этого отпадает необходимость
транспортирования деталей в специальные термические цехи и
обеспечивается ритмичная работа поточных линий и сборочных
конвейеров.
Пламенная поверхностная закалка. Этот метод заключается
в нагреве поверхности стальных деталей ацетилено-кислород
224
ным пламенем до температуры, превышающей 1на 50—60° С верх-
нюю критическую точку ?lCj, с последующим быстрым охлажде-
нием водяным душем.
Сущность процесса пламенной закалки состоит в том, что
тепло, подводимое газовым пламенем от горелки к закаливае-
мой детали, концентрируется на ее поверхности и значительно
превышает количество тепла, распространяемого в глубь метал-
ла. В результате такого температурного поля поверхность дета-
ли сначала быстро нагревается до температуры закалки, затем
охлаждается, а сердцевина детали практически остается неза-
каленной и после охлаждения не изменяет свою структуру и
твердость.
Пламенную закалку применяют для упрочнения и повышения
износостойкости таких крупных и тяжелых стальных деталей,
как коленчатые валы механических прессов, крупномодульные
зубчатые колеса, зубья ковшей экскаваторов и т. п. Кроме сталь-
ных деталей, пламенной закалке подвергают детали, изготовлен-
ные из серого и перлитного чугуна, например направляющие
станин металлорежущих станков.
Пламенная закалка разделяется на четыре вида:
а) последовательную, когда закалочная горелка с охлажда-
ющей жидкостью перемещается вдоль поверхности обрабаты-
ваемой неподвижной детали;
б) закалку с вращением, при которой горелка с охлаждаю-
щей жидкостью остается неподвижной, а закаливаемая деталь
вращается;
в) последовательную с вращением детали, когда деталь не-
прерывно вращается и вдоль нее перемещается закалочная го-
релка с охлаждающей жидкостью;
г) местную, при которой неподвижная деталь нагревается до
заданной температуры закалки неподвижной горелкой, после че-
го охлаждается струей воды.
Способ пламенной закалки катка, который вращается с оп-
ределенной скоростью, а горелка остается неподвижной, показан
на рис. 120. Температура нагрева контролируется при помощи
миллископа.
В зависимости от назначения детали глубина закаленного
слоя обычно берется равной 2,5—4,5 мм.
Основными факторами, влияющими на глубину закалки и
структуру закаливаемой стали, являются: скорость передвиже-
ния закалочной горелки относительно закаливаемой детали или
детали относительно горелки; скорость выхода газов и темпера-
тура пламени.
Выбор закалочных машин зависит от формы деталей, спосо-
ба закалки и заданного количества деталей. Если нужно зака-
ливать разнообразные по форме и размерам детали и в неболь-
ших количествах, то целесообразнее применять универсальные
15—1134 225
Рис. 120. Пламенная поверхностная закалка катков мостовых
кранов:
1 — установка для закалки, 2 — каток, 3 — горелка
°)
Б)
Рис. 121. Горелки для газопламенной закалки:
а — модульная, б — линейная; 1 — мундштук наконечника, 2 — трубка для
подвода воды, 3— трубка для подвода газа, 4 — смесительная камера,
5 — кислородный ниппель, 6—ацетиленовый ниппель, /—инжектор, 8 — нип-
пель, 9 — газовый канал, 10 — вентиль для регулирования кислорода, // — вен-
тиль для регулирования ацетилена, 12 — ствол горелки
закалочные машины. На заводах обычно используют специаль-
ные установки и токарные станки.
Для закалки применяют два вида горелок: модульные с мо-
дулем от М10 и до МЗО и многопламенные со сменными нако-
нечниками, имеющими ширину пламени от 25 до 85 мм. Кон-
структивно горелки устроены таким образом, что отверстия для
газового пламени и охлаждающей воды расположены в один
ряд, параллельно. Модульная горелка для закалки зубьев круп-
номодульных зубчатых колес показана на рис. 121, а, а горелка
Рис. 122. Микроструктура после
пламенной поверхностной закалки
(Х400):
а — поверхностного слоя, б — переход-
ного слоя, в — сердцевины
для закалки изделий с линейным профилем поверхности — на
рис. 121, б. Вода в горелки подается от водопроводной сети и
служит одновременно для закалки деталей и охлаждения мунд-
штука.
В качестве горючих газов применяются ацетилен и кислород.
После пламенной закалки микроструктура в различных зо-
нах детали различная (рис. 122). Закаленный слой получает вы-
сокую твердость и остается чистым, без следов окисления и
обезуглероживания.
Переход структуры от поверхности детали к сердцевине про-
исходит плавно, что имеет большое значение для повышения
эксплуатационной стойкости деталей и полностью устраняет
вредные явления — растрескивание и отслоение закаленных
слоев металла.
Твердость изменяется в соответствии со структурой закален-
ного слоя (рис. 123). На поверхности детали она равна 56—
57 HRC, а затем понижается до твердости, которую имела де-
15* 227
таль до поверхностной закалки. Для обеспечения высокого ка-
чества закалки, получения равномерной твердости и повышенной
прочности сердцевины литые и кованые
Расстояние от поверхности, мм
Рис. 123. График зависимости твердости
закаленного слоя
детали перед пламенной
закалкой подвергаются
отжигу или нормализа-
ции в соответствии с
обыкновенными режи-
мами.
Поверхностная за-
калка в электролите.
Этот метод закалки,
предложенный советс-
ким инженером
Н. 3. Ясногородским,
основан на физическом
явлении, называемом
«эффект катода». Сущ-
ность этого явления'со-
стоит в том, что если
постоянный электриче-
ский ток пропускать че-
рез электролит, то на
катоде образуется тон-
кий слой, состоящий из
мельчайших пузырьков водорода (рис. 124). Благодаря плохой
электрической проводимости водорода сопротивление прохожде-
нию электрического тока сильно возрастает и катод (деталь)
нагревается до высокой температуры, после чего закаливается.
В качестве электролита обычно
применяют водный 5—10-про-
центный раствор кальцинирован-
ной соды.
Процесс закалки несложен и
заключается в следующем. Зака-
ливаемую деталь опускают в
электролит и присоединяют к от-
рицательному полюсу генератора
постоянного тока напряжением
200—220 в и плотностью 3—
4 а!см?у в результате чего она
становится катодом. В зависимо-
сти от того, какая часть детали
подвергается поверхностной за-
Рис. 124. Схема нагрева в элект-
ролите:
1 — корпус бака, 2 — электролит, 3 —
закаливаемая деталь, 4 — пузырьки
водорода
калке, деталь погружают на определенную глубину. Деталь на-
гревается за несколько секунд, и ток выключают. Охлаждаю-
щей средой является тот же электролит. Итак, ванна с электро-
литом служит и нагревательной печью и закалочным баком.
228
На автозаводе им. Лихачева поверхностную закалку в
электролите применяют для массовой закалки концов стебля
клапанов мотора. При таком методе закалки контроль темпера-
туры затруднен. Этот недостаток часто приводит к перегреву
поверхности деталей.
§ 6. ОТПУСК СТАЛИ
Отпуском называют такую операцию термической обработки,
при которой закаленную сталь нагревают до температуры ниже
критической точки Ас, после чего ее охлаждают.
В любой закаленной на мартенсит стали появляются не толь-
ко высокая твердость и прочность, но и большие внутренние на-
пряжения. Поэтому закаленная сталь очень хрупка и легко раз-
рушается от ударных и изгибающих нагрузок. Для снятия внут-
ренних напряжений и повышения вязкости закаленную сталь
подвергают отпуску.
При отпуске закаленной стали сильно напряженный мар-
тенсит, имеющий тетрагональную кристаллическую решетку, по-
степенно распадается на феррито-цементитную смесь и структу-
ра из неустойчивого состояния переходит в более равновесное,
в результате чего внутренние напряжения уменьшаются. Эти
превращения сопровождаются понижением твердости, повыше-
нием пластичности и ударной вязкости. Чем выше температура
отпуска, тем полнее идет процесс распада мартенсита.
При низких температурах тетрагональный мартенсит перехо-
дит в отпущенный мартенсит, при более высоких — в троостит
отпуска и затем в сорбит отпуска. Такие изменения в структуре
закаленной стали вызывают изменение ее физико-механических
свойств.
Характерные кривые изменения механических свойств зака-
ленной стали 40Х в зависимости от температуры отпуска пока-
заны на рис. 125. Из рисунка видно, что прочность и твердость с
повышением температуры отпуска понижаются, а пластические
свойства возрастают.
В зависимости от требуемых свойств стали различают три
вида отпуска: низкий, средний и высокий.
Низкий отпуск производится при температуре 150—
200°С. Такой вид отпуска понижает внутренние напряжения при
сохранении высокой твердости закаленных деталей.
В масляных ваннах продолжительность отпуска для мелких
и средних деталей 30—40 мин., а в электрических печах — до
90 мин., т. е. прогрев происходит более медленно.
Низкий отпуск применяют для режущего и измерительного
инструмента, изготовленного из углеродистых и малолегирован-
ных сталей, шарикоподшипниковых колец, шариков и роликов,
229
цементованных и цианированных деталей — зубчатых колес ав-
томобилей, тракторов, металлорежущих станков и т. д.
Средний отпуск производят при температуре 350—450°С.
В этом интервале температур мартенсит превращается в мелкую
феррито-цементитную смесь — троостит. Среднеуглеродистая
сталь приобретает твердость около 35—47 HRC, упругость и по-
вышенную сопротивляемость действию переменных и ударных
нагрузок.
Рис. 125. Кривые изменения механических свойств зака-
ленной стали 40Х в зависимости от температуры от-
пуска
Для такого отпуска применяются отпускные электрические
печи и селитровые ванны.
Высокий отпуск осуществляется при температуре 500—
650° С. В результате такого отпуска стальные детали получают
определенный комплекс прочностных, пластических и ударных
свойств.
При высоком отпуске мартенсит распадается и образуется
сорбит, который, как известно, обладает высокой прочностью и
хорошей вязкостью. Наиболее высокие механические свойства
конструкционные стали, особенно сталь 35, 45, 40Х, 40ХН,
230
Температура, град
Рис. 126. Кривая изменения ударной
вязкости хромоникелевой стали в за-
висимости от температуры отпуска
40ХНМ, приобретают в результате закалки с последующим вы-
соким отпуском на сорбит. Такой вид термической обработки на-
зывают улучшением. Улучшенная сталь по своим прочностным
свойствам значительно выше, чем отожженная или нормализо-
ванная, т. е. сталь, прошедшая одинарную термическую обра-
ботку. Поэтому коленчатые валы, шатуны, бандажи, полуоси,
балки передних осей грузовых автомобилей, тракторов и другие
детали машин, испытывающие большие нагрузки и подвергаю-
щиеся ударам, изготовляют из конструкционных среднеуглеро-
дистых или малолегирован-
ных сталей и подвергают
улучшению.
При термической обра-
ботке некоторых легирован-
ных сталей возникает от-
пускная хрупкость, которая,
несмотря на уменьшение
твердости, резко снижает
ударную вязкость. Кривая
изменения ударной вязкости
хромоникелевых сталей при
отпуске в зависимости от
температуры показана на
рис. 126. Из рисунка видно,
что при 170° С ударная вяз-
кость достигает первого мак-
симума, а затем, с повышением температуры отпуска, она умень-
шается и при 300° С становится минимальной. Далее снова про-
исходит повышение ударной вязкости и при температуре 580—
600° С она достигает второго (наивысшего) максимума.
Сплошная линия получается при быстром охлаждении дета-
лей после отпуска, а пунктирная линия — при медленном. Для
повышения ударной вязкости и устранения отпускной хрупкости
детали, изготовленные из хромоникелевых и марганцовистых
сталей, после высокого отпуска необходимо охлаждать быстрее
и не на воздухе, а в масле или воде.
Кроме того, для устранения отпускной хрупкости сталь леги-
руют молибденом (около 0,3%) и вольфрамом (не более 0,8%).
§ 7. СТАРЕНИЕ ЗАКАЛЕННОЙ СТАЛИ
При низкотемпературном отпуске большая часть внутренних
напряжений в закаленной стали остается. С течением времени
они постепенно снимаются, в результате чего в металле наступа-
ет полное структурное равновесие. Такое самопроизвольное сня-
тие внутренних напряжений при комнатной температуре весьма
длительно и сопровождается изменением формы и размеров за-
231
каленных деталей. Этот процесс называют естественным старе-
нием. Изменение размеров в процессе естественного старения
невелико и измеряется в микронах. Для деталей машин и режу-
щего инструмента изменения размеров не имеют практического
значения, поэтому их обычно не учитывают. Однако при изготов-
лении сверхточных машин, например координатно-расточных
станков, измерительных калибров, даже такие небольшие изме-
нения недопустимы. Чтобы размеры деталей и инструмента не
изменялись с течением времени и оставались стабильными, их
подвергают искусственному старению.
Сущность искусственного старения состоит в том, что зака-
ленные и отпущенные при низкой температуре детали и инстру-
мент после предварительного шлифования сначала подвергают
нагреву до 100—150°С, затем выдерживают при этой температу-
ре в течение 18—35 час. При таком нагреве и выдержке все про-
цессы, вызывающие изменение размеров стали, протекают значи-
тельно быстрее, чем при комнатной температуре. Поэтому после
старения размеры деталей и инструмента стабилизируются.
Искусственное старение чаще всего производится в масляных
ваннах. При отсутствии в цехе масляных ванн искусственное
старение производят в кипящей воде, с выдержкой в течение
36 час.
При старении закаленных деталей и инструмента твердость
и структура стали практически не изменяются.
В настоящее время на 1-м ГПЗ (Первый государственный
шарикоподшипниковый завод) и ряде станкостроительных заво-
дов длительное многочасовое искусственное старение заменяют
закалкой деталей на стабильные размеры.
Сущность закалки на стабильные размеры заключается в
том, что закаленные (в воде или масле) детали сначала подвер-
гают охлаждению в холодильной камере до температуры — 12° С,
а затем — обыкновенному «нэкому отпуску. Закалка на ста-
бильные размеры подшипниковых колец из стали ШХ15 произ-
водится на закалочных агрегатах.
Закалка на стабильные размеры практически полностью
устраняет из структуры закаленной стали остаточный аустенит,
влияющий на изменение размеров.
§ 8. ОБРАБОТКА ХОЛОДОМ
Высокоуглеродистые и легированные стали после закалки при
комнатной температуре всегда содержат от 3 до 12% остаточно-
го аустенита, а быстрорежущие стали — до 35% и более.
Присутствие остаточного аустенита в структуре закаленной
стали крайне нежелательно, так как он снижает твердость и при
постепенном самопроизвольном распаде вызывает изменение
размеров деталей.
232
Устранить остаточный аустенит из структуры высокоуглеро-
дистых и легированных сталей можно нагревом до 300—350°
а из структуры быстрорежущих сталей — до 600° С. Однако при
этих температурах мартенсит, имеющийся в структуре сталей,
распадается на троостит и твердость падает. Уменьшить коли-
чество остаточного аустенита в закаленной стали без понижения
твердости можно только охлаждением стали до минусовых тем-
ператур, т. е- обработкой холодом.
Сущность обработки холодом состоит в том, что закаленные,
но не отпущенные детали охлаждают при температуре от —12
до— 120° С. Под действием такой температуры остаточный аусте-
нит распадается и образуется мартенсит, в результате чего из-
меняются механические и магнитные свойства.
Обработку холодом применяют для получения однородной
структуры стали, повышения твердости и стабилизации разме-
ров закаленных деталей.
Для обработки холодом деталей и инструмента применяют
специальные холодильные машины ХКМ-2, имеющие рабочую
температуру —85° С. Кроме таких машин, применяют смеси су-
хого льда со спиртом или ацетоном, позволяющие получить тем-
пературу —73° С.
Обработку холодом обычно используют для инструмента, из-
готовленного из стали Р18, деталей из цементуемой стали
18ХНВА и колец особо точных подшипников из стали ШХ15.
После обработки холодом, чтобы снять внутренние напряже-
ния, детали подвергают низкому отпуску.
§ 9. ХИМИКО-ТЕРМИЧЕСКАЯ ОБРАБОТКА СТАЛИ
Термическую обработку, при которой изменяется не только
структура, но и химический состав поверхностных слоев метал-
ла, называют химико-термической обработкой.
Сущность химико-термической обработки стали состоит в ис-
кусственном изменении химического состава ее поверхностных
слоев. Цель такой обработки — получение высокой поверхност-
ной твердости и износостойкости стальных деталей.
Химический состав поверхностных слоев стали изменяется
благодаря проникновению в них различных элементов. Измене-
ние химического состава вызывает изменение структуры и
свойств поверхностного слоя*.
Химико-термическая обработка осуществляется помещением'
стали в среду, в которой происходит насыщение ее поверхностно-
го слоя. Химико-термическая обработка стали складывается из
трех этапов: диссоциации, адсорбции и диффузии.
Диссоциация происходит в газовой среде и состоит из
разложения молекул тех или иных соединений и образования
активных атомов.
233
Адсорбция — это поглощение поверхностью стали свобод-
ных, главным образом активных, атомов из газовой смеси или
раствора.
Диффузия заключается в проникновении адсорбирован-
ных атомов с поверхности металла в глубь его. Она происходит
в результате теплового движения атомов, без воздействия внеш-
них сил. Диффузия характеризуется коэффициентом диффузии
D, который численно равен количеству вещества, продиффун-
дировавшему через площадку в 1 см2, в течение 1 сек. при пе-
репаде концентраций по обе стороны площадки, равном еди-
нице.
Коэффициент диффузии D в основном зависит от температу-
ры и энергии активации, т. е. энергии, которая затрачивается
для перевода атома в кристаллической решетке из одного поло-
жения в другое.
От правильного сочетания указанных этапов химико-термиче-
ской обработки зависит получение качественного слоя.
Различают следующие виды химико-термической обработки.
Цементация. Процесс насыщения стальных деталей углеро-
дом называют цементацией.
Основная цель цементации — это получение высокой твердо-
сти поверхностного слоя деталей при сохранении мягкой и вяз-
кой сердцевины, а также повышение износостойкости и предела
усталости.
Высокая твердость стали HRC 56—62 достигается насыще-
нием поверхностного слоя углеродом эвтектойдной или заэвтек-
тойдной концентрации с последующей закалкой. Вязкость серд-
цевины в цементируемых деталях обеспечивается применением
конструкционных сталей, содержащих небольшое количество
углерода, обычно оно равно 0,08—0,30%.
По способу производства цементация разделяется на твер-
дую, газовую и жидкую.
Твердая цементация, или цементация в твердом кар-
бюризаторе, является наиболее старым и распространенным про-
цессом химико-термической обработки. Сущность его состоит в
следующем. Стальные детали, очищенные от эмульсии и масла,
укладывают в железные ящики и пересыпают твердым карбю-
ризатором, состоящим из порошковой смеси березового угля и
углекислых солей бария или натрия. Детали укладываются та-
ким образом, чтобы расстояния между ними и стенками ящика
были 20—25 мм. Ящики закрывают крышкой, в которую встав-
ляют два «свидетеля» — прутки диаметром 6—8 мм и длиной
250 мм, изготовленные из стали марки 10. Для герметичности
края ящиков промазывают огнеупорной глиной. Только после это-
го ящики с деталями помещают в 'Нагревательную печь для цемен-
тации, которая ведется при 850—920°. При нагреве в ящике про-
исходит соединение углерода карбюризатора с кислородом воз-
234
духа. Из-за недостатка кислорода в цементационном ящике об-
разуется окись углерода
2С + О-> 2СО.
В присутствии стальных деталей окись углерода разлагается
на углекислый газ и атомарный углерод:
2СО -> СО2 + Сат.
Атомарный углерод поглощается поверхностью стальных де-
талей, находящихся при этой температуре в аустенитном состоя-
нии. В результате образуется цементованный слой.
При цементации твердые карбюризаторы обычно используют
неоднократно. Для этого берут отработанный карбюризатор и к
нему добавляют 20—30% свежего карбюризатора.
Цементации подвергаются зубчатые колеса, валы, шпиндели,
поршневые пальцы, толкатели клапана, лемехи и другие ответ-
ственные детали машин.
Глубина цементованного слоя при 850—920° С увеличивается
пропорционально времени выдержки. Для получения цементован-
ного слоя глубиной 0,1 мм необходима выдержка в течение
часа. Для большинства автомобильных и тракторных деталей
глубина цементованного слоя принимается равной 0,6—2,0 мм.
Детали, цементованные в твердом карбюризаторе, проходят
двойную закалку: первую при температуре 840—850° С для из-
мельчения зерна в сердцевине деталей и вторую при 780—800° С
для получения высокой твердости на поверхности деталей.
Недостатками твердой цементации являются значительная
трудоемкость, невысокая производительность и обилие угольной
пыли и грязи. Однако этот процесс находит еще значительное
применение, так как он не требует специального оборудования
и прост в исполнении.
Газовая цементация заключается в насыщении по-
верхности стальных деталей углеродом в атмосфере углеродосо-
держащих газов. Газовую цементацию широко применяют в ма-
шиностроении, так как она является прогрессивным и экономич-
ным процессом. Этот процесс позволяет регулировать содержа-
ние углерода в поверхностном слое цементуемых деталей, меха-
низировать и автоматизировать оборудование, а также произво-
дить полный цикл термической обработки в одном агрегате —
цементацию, закалку, промывку и отпуск. Кроме того, себестои-
мость продукции и капитальные затраты при газовой цемента-
ции ниже, а условия труда рабочих-термистов лучше, чем при
цементации в твердом карбюризаторе. При газовой цементации
детали науглероживаются в 2—3 раза быстрее, чем при твердой
цементации, а цементованный слой получается более однород-
ным.
235
Рис. 127. Микрострук-
тура цементованного
слоя толкателя кла-
пана автомобиля
(X100)
Газовая цементация производится в механизированных мето-
дических и шахтных печах, а также в безмуфельных агрегатах,
описание которых дано в главе VIII.
В качестве карбюризаторов для газовой цементации приме-
няют углеродосодержащие естественные и искусственные газы
и газовые смеси, содержащие метан СН4 и окись углерода СО.
Можно использовать также жидкие карбю-
ризаторы: бензол, пиробензол, осветитель-
ный керосин, синтин (продукт синтеза окиси
углерода) и сжиженный природный газ.
Наиболее перспективным газовым кар-
бюризатором является эндотермическая ат-
мосфера, состоящая, как указывалось, из
эндотермического газа (20% окиси углеро-
да, 40% водорода и 40% азота) с добавле-
нием к нему I—5%-ного метана для усиле-
ния цементирующих свойств. В такой атмос-
фере можно опытным путем или при помо-
щи приборов регулировать содержание на-
углероживающего газа. Это позволяет пре-
дупреждать образование сажи и. обеспечи-
вать необходимую скорость науглерожива-
ния.
Химический процесс газовой цементации
протекает по двум реакциям: основной,
когда метан под действием температуры це-
ментации (920—840°) распадается на ато-
марный углерод и водород: СН4 -»Сат4-2Н2
и сопутствующей, когда 2СО->Сат +СОг.
Атомарный углерод, как и при твердой цементации, диффун-
дирует в поверхность стальной детали, в результате чего полу-
Рис. 128. Структура науглероженной стали в на-
правлении диффузии (Х50):
а — общий вид диффузионной зоны, б — структурные
участки при более сильном увеличении (у 240)
236
чается цементованный науглероженный слой. Этот слой при трав-
лении реактивом окрашивается в темный цвет (рис. 127).
Содержание углерода в цементованном слое составляет
0,8—1,05% и плавно уменьшается по направлению к сердцевине.
Общин вид диффузионной зоны после медленного охлаждения
показан на рис. 128. Участок а относится к заэвтектойдному
слою, состоящему из перлита и небольшого количества цементи-
та, участок в — к переходному слою, состоящему из перлита и
следов феррита, а участок с — к исходной структуре стали, со-
стоящей из феррита и перлита.
Рис. 129. График зависимости изменения глубины цементованного слоя
от температуры и времени нагрева:
а — цементация в муфельных печах, б — цементация при нагреве т. в. ч.
Выбор режима (температуры и времени выдержки) цемента-
ции определяется заданной глубиной цементованного слоя
(рис. 129): с повышением температуры науглероживание резко
•возрастает. Однако повышение температуры ведет не только к
увеличению науглероживания, но и к росту зерна аустенита в
стали и преждевременному прогару жароупорных муфелей и ре-
торт, поэтому в практике производства цементацию производят
при 920—930°.
После цементации детали подвергают закалке и отпуску.
Летали, цементованные в газовой атмосфере, подвергаются оди-
нарной закалке непосредственно из цементационной печи после
предварительного подстуживания с температуры цементации
920—930° до 800—840° С.
237
После закалки и отпуска структура цементованного слоя для
стали 25ХГТ состоит из мелкоигольчатого мартенсита, незначи-
тельного количества остаточного аустенита и мелких карбидов
(рис. 130); твердость поверхности HRC 56—62. Структура серд-
цевины— троостит или троостосорбит, ее твердость HRC 28—32.
Глубина цементованного слоя проверяется на глаз по излому
закаленного «свидетеля», прошедшего цементацию вместе с де-
талями, или металлографическим способом в цеховой лаборато-
Рис. 130. Микроструктура цементованного закаленного и отпу*
щенного слоя (Х400):
а — поверхности, б — сердцевины
рии. За глубину цементованного слоя принимают расстояние от
поверхности до исходной структуры, т. е. до появления феррита
в отожженном и протравленном микрошлифе, сделанном из
«свидетеля» или детали.
Состав и науглероживающая способность газовой атмосферы
контролируются и регулируются в процессе цементации по про-
бе газа, взятой из печи для химического анализа или по точке
росы атмосферы. Точкой росы называют температуру, при кото-
рой газ определенного состава, охлаждаясь при постоянном вла-
госодержании, становится насыщенным. Для измерения точки
росы и автоматического регулирования подачи цементуемого га-
за (эндотермической атмосферы) в муфель цементационной печи
или агрегата, в зависимости от требуемого содержания углерода
в цементованном слое, в настоящее время применяют специаль-
ные приборы «Карботроль».
238
Недостаточная стойкость жароупорных муфелей и реторт це-
ментационных печей не позволяет повысить температуру цемен-
тации более 950—960°. Поэтому детали цементируют не в му-
фельных печах, а в установках ТВЧ. Индукционный нагрев поз-
воляет производить цементацию при температуре до 1050° С, при
этом время цементации сокращается в 10—12 раз по сравнению
с обычной газовой цементацией. Например, на автозаводе им.
Лихачева цементация при нагреве ТВЧ зубчатых колес автомо-
биля на глубину 0,8—1,0 мм происходит в течение всего лишь
40—45 мин. В качестве карбюризатора применяют эндотермиче-
скую атмосферу. Так как время нагрева в процессе цементации
небольшое, хотя температура и высокая, зерна аустенита не
успевают вырасти, поэтому механические свойства таких зубча-
тых колес остаются хорошими. Для цементации автомобильных
зубчатых колес на автозаводе им. Лихачева применяют стали
марки 25ХГТ и 25ХГМ.
Дефекты цементации. В процессе цементации могут возник-
нуть следующие дефекты:
1) завышенная или заниженная глубина цементованного
слоя;
2) слишком высокое содержание углерода в слое (цемен-
титная сетка);
3) резкий переход от цементованного слоя к сердцевине.
Завышенная глубина цементованного слоя обычно получается
из-за повышенной температуры в печи или большой выдержки
деталей в зоне науглероживания. Детали с завышенным слоем
бракуются.
Заниженная глубина цементованного слоя образуется в основ-
ном в результате малой активности карбюризаторов и понижен-
ной температуры цементации. Такие детали после анализа ис-
правляют повторной цементацией.
Слишком высокое содержание углерода в цементованном
слое (выше 1,1 —1,2% углерода) получается благодаря завышен-
ной температуре цементации и высокой активности карбюриза-
тора. В результате этого избыточный углерод выпадает по гра-
ницам зерен в виде цементитной сетки (рис. 131), которая резко
снижает прочностные свойства цементованного слоя и вызывает
выкрашивание. Такие детали являются окончательным браком.
Резкий переход от цементованного слоя к сердцевине полу-
чается в результате высокой температуры цементации и неболь-
шой выдержки. При таком дефекте в процессе эксплуатации де-
талей цементованный слой может отслоиться от сердцевины.
Жидкостная цементация производится в соляных
ваннах при температуре 830—850° С. В качестве карбюризатора
применяют карбид кремния SiC. Наилучшим составом ванны
239
•является состав, содержащий 75—85% Na2CO3, 10—15% NaCl
и 6—10% SiC.
В процессе цементации происходит следующая реакция:
2Na2CO3 + SiC - Na2SiO3 + Na2O + Сат + 2CO.
Выделившийся в результате реакции атомарный углерод
диффундирует в сталь, в результате чего образуется науглеро-
женный слой. Глубина цементованного слоя для стали марок
20Х, 12ХНЗА, образованная в течение часа, равна 0,25—0,30 мм.
Цементованные детали закалива-
Рис. 131. Цементитная сет-
ка в закаленном слое
(Х400)
ются непосредственно в соляной ванне.
Поверхность деталей после закалки
получается без следов окалины и окис-
ления.
Жидкостную цементацию применя-
ют для науглероживания мелких дета-
лей, глубина цементованного слоя ко-
торых не должна превышать 0,5—
0,6 мм.
В процессе работы ванны, кроме
атомарного углерода, выделяется зна-
чительное количество шлака Na2SiO3.
Шлак засоряет ванну и затрудняет це-
ментацию, поэтому ванну следует пе-
риодически очищать.
Нитроцементация — это но-
вейший процесс химико-термической
обработки, при котором поверхность
стальных деталей насыщается углеро-
дом и азотом одновременно. Этот про-
цесс экономичен, безвреден и позво-
ляет получать поверхностные слои вы-
сокой твердости и износостойкости.
Нитроцементация осуществляется в науглероживающей ат-
мосфере, применяемой для газовой цементации, но с добавлени-
ем 1—6% аммиака для получения атомарного азота.
При высокой температуре нагрева метан, находящийся в со-
ставе природного газа, распадается на атомарный углерод и во-
дород, а аммиак — на атомарный азот и водород. Таким об-
разом, при нитроцементации среда не содержит ядовитых соеди-
нений циана, однако поверхность стальных деталей эквивалент-
на цианированным, т. е. насыщается углеродом и азотом одно-
временно.
На заводах при отсутствии природного газа для нитроцемен-
тации применяют жидкий карбюризатор, например триэтана-
ломин — прозрачную жидкость, содержащую углерод и азот.
Нитроцементацию конструкционных сталей марок 12ХНЗА,
240
25ХГТ, 25ХГМ и т. д. обычно производят при температуре
850—860° С в шахтных печах и безмуфельных агрегатах. Нитро-
цементованный слой состоит из карбидов и нитридов. По износо-
стойкости он значительно выше цементованного слоя, поэтому
при нитроцементации стремятся получить слой глубиной на
0,3—0,4 мм меньше цементованного. Например, при газовой це-
ментации глубина науглероженного слоя для зубчатых колес ко-
робки скоростей грузового автомобиля равна 0,9—1,1 мм, а при
Рис. 132. Кривые изменения углерода, азота
и твердости в нитроцементованном слое
нитроцементации — 0,5—0,7 мм. Уменьшение глубины слоя по-
зволяет значительно увеличить количество продукции, получае-
мой с одного квадратного метра площади цементационных аг*
регатов.
Нитроцементация по сравнению с газовой цементацией име-
ет следующие достоинства: 1) ускорение насыщения поверхности
деталей углеродом и азотом на 30—35%; 2) использование бо-
лее низких температур с минимальным разрушением и изнаши-
ванием цементационных печей; 3) получение минимальных де-
формаций; 4) повышение износостойкости деталей; 5) повыше-
ние способности к закаливанию нитроцементованного слоя, что
допускает полную закалку в горячем масле.
При нитроцементации максимальное насыщение поверхности
деталей азотом составляет 0,4%, углеродом 1,1% (рис. 132).
16—1134 241
Твердость поверхностного слоя HRC^z 65. Участки поверхно-
стей деталей, не подлежащие нитроцементации, для сохранения
на них низкой твердости защищают тонким слоем меди, не про-
пускающим углерод и азот в металл. Слой меди в 25—30 мк
наносится гальваническим способом.
Цианирование. Процесс насыщения поверхности стальных
деталей углеродом и азотом называют цианированием. Сущест-
вует два вида цианирования: высокотемпературное и низкотемпе-
ратурное.
Высокотемпературное цианирование применя-
ют для повышения твердости и износостойкости поверхности де-
талей, изготовленных из конструкционной малоуглеродистой ста-
ли марок 10, 20, 35, 12ХНЗА и др., которые содержат
0,10—0,40% углерода. Оно производится в ваннах с такими рас-
плавленными нейтральными солями, как NaCl, ВаС12, ХагСОз
и т. д. В качестве карбюризатора используют цианистые соли
NaCN и KCN, основной компонент (циан) которых способствует
насыщению деталей углеродом и азотом.
В процессе цианирования при нагреве цианистые соли распа-
даются с образованием активного азота и углерода, которыми
насыщается поверхность стальных деталей. В результате этого
в цианированном слое образуются карбиды и нитриды железа.
При цианировании глубина слоя обычно не превышает
0,15—0,35 мм.
Для придания цианированному слою высокой твердости дета-
ли подвергаются закалке в воде или масле в зависимости от
марки стали. Закалку производят непосредственно в цианистой
ванне с подстуживанием «а воздухе до 780—800° С. Отпуск осу-
ществляется при температуре 160—180° С в течение 90 мин.
Микроструктура цианированного слоя представляет собой
азотистый мартенсит. Твердость слоя HRC 65—67.
В процессе цианирования содержание циана уменьшается,
так как он выгорает. Поэтому для поддержания постоянного
состава в ванну добавляют небольшие порции цианистых солей
(5—10% от веса соли).
Низкотемпературное цианирование применяют
для повышения твердости на 2—4 единицы HRC, износо- и крас-
ностойкости режущего инструмента. Цианирование производится
при 550—570° С для быстрорежущих сталей Р18 и Р9 и при
510 — 520° С для высокохромистых сталей. Цианирование осу-
ществляется в соляных ваннах, которые содержат 50% NaCN и
50% KCN.
Глубина цианированного слоя составляет 0,02—0,06 мм, а
скорость цианирования примерно 0,01 мм за 10 мин. или 0,06 мм
за 1 час.
Цианистые соли ядовиты, поэтому ванны с такими солями
242
изолируются и снабжаются защитными колпаками с отсасываю-
щей вентиляцией.
Азотирование. Процесс насыщения поверхности стальных де-
талей азотом называют азотированием. Этот процесс является
одним из наиболее эффективных методов повышения износо-
устойчивости деталей. Азотированию подвергают шпиндели ме-
таллорежущих станков, гильзы, копиры, плунжеры, клапаны и
другие детали, изготовляемые из стали 38ХМЮА и 35ХЮА.
Азотирование ведется в шахтных печах в атмосфере распа-
дающегося аммиака при температуре 525—570° С. Полученный
таким способом слой обладает высокой твердостью и способно-
стью сохранять прочность при температуре 609° С, в то время как
цементованные детали при такой температуре быстро размягча-
ются. Перед азотированием детали подвергают термической об-
работке— улучшению, т. е. закалке при 930—960° С в воде и от-
пуску при температуре 600° С до твердости HRC 28—32.
Процесс азотирования производится следующим образом. Де-
тали укладывают в стальные корзины и загружают в шахтную
печь. После нагрева печи до 525—570° С в ее муфель подают ам-
миак NH3. Под действием температуры аммиак распадается:
2NH3-> 2N + ЗН2.
Образовавшийся атомарный азот диффундирует в поверх-
ность деталей, в результате чего образуется азотированный слой,
глубина которого равна 0,25—0,65 мм. Процесс азотирования
происходит в течение 15—50 час., а иногда и более. Так, для по-
лучения азотированного слоя толщиной 0,20—0,30 мм при тем-
пературе 525° С необходимо 25 час.
После азотирования детали сначала вместе с печью охлаж-
дают до 100° С, а затем — на спокойном воздухе. В результате
такого охлаждения детали практически получаются без иска-
жения размеров и после небольших доводок могут идти на
сборку.
Азотирование — более длительный процесс, чем цианирование
или цементация, и требует более точной обработки.
Для повышения коррозийной стойкости детали, изготовлен-
ные из углеродистой стали, азотируют при более низкой темпе-
ратуре.
Чтобы предохранить участки деталей, не подлежащие азоти-
рованию, применяют поверхностное лужение, т. е. электролити-
ческое покрытие оловом.
Алитирование. Этот процесс применяют главным образом
для придания поверхности стальных деталей особых физических
свойств с целью повышения их жаростойкости. Алитированию
подвергают детали, работающие при высоких температурах: ка-
меры газификации, колосники р/шеток газогенераторных трак-
торов, чехлы термопар, цементационные ящики, трубы и т. д.
16* 243
Процесс алитирования основан на диффузии алюминия в сталь.
Существует три способа алитирования: жидкостный, твердый
и металлизация. Наиболее производительным является способ
металлизации. Сущность его состоит в том, что расплавленный
алюминий под действием струи сжатого воздуха наносится на
поверхность детали. Толщина алюминиевого слоя 0,8—1,0 мм.
Алюминий берется в виде проволоки сечением 1,5—2 мм.
После алитирования детали подвергают диффузионному от-
жигу при температуре 950—1050° С. Под действием температуры
отжига активные атомы алюминия проникают в поверхность
стальных деталей, образуя слой, насыщенный алюминием (твер-
дый раствор алюминия в железе). Толщина слоя 0,15—0,25 мм.
Для предохранения алюминиевого слоя деталей от окисления его
покрывают специальной огнеупорной обмазкой, состоящей из се-
ребристого графита, огнеупорной глины и жидкого стекла.
В процессе эксплуатации алитированных деталей при высо-
ких температурах на поверхности их появляется прочная плен-
ка из окиси алюминия AI2O3, которая предохраняет металл от
образования окалины.
Хромирование. Целью этого процесса, так же как и алитиро-
вания, является повышение поверхностной твердости и жаро-
стойкости. Хромирование производится в газовой среде, содер-
жащей хлориды хрома, при температуре 900—1100° С в течение
10—20 час. В результате диффузии поверхность стальных дета-
лей насыщается хромом на глубину 0,1—0,3 мм и приобретает
высокую твердость, жаро- и коррозийную стойкость.
При диффузионной металлизации поверхность стали можно
также насыщать кремнием (силицирование), бором (борирова-
ние) и т. д.
§ 10. ТЕРМИЧЕСКАЯ ОБРАБОТКА ЧУГУНА
В практике производства только серые чугуны подвергают
термической обработке. Наиболее распространенными видами
термической обработки чугунов являются отжиг, закалка с по-
следующим отпуском и искусственное старение.
Отжиг отливок из серого чугуна применяют для устране-
ния отбеленной «корочки», получаемой на поверхности при за-
ливке чугуна в металлические формы, уменьшения твердости от-
ливок и улучшения их обрабатываемости. Отжиг производится
в камерных печах или печах с выдвижным подом при темпера-
туре 900—950° С. Время нагрева и выдержки зависит от толщи-
ны отливок и веса загруженной партии, обычно оно равно 2—
5 час. Охлаждение отливок до 200—250° С производится вместе
с печью, затем на спокойном воздухе. При таком отжиге в от-
беленных участках отливок происходит распад цементита:
Fe3C -> 3Fe + С (графит).
244
В результате такого распада белый чугун переходит в серый,
причем твердость чугуна понижается.
Закалке с последующим отпуском подвергают де-
тали, изготовленные из серого чугуна и работающие на истира-
ние, например, кольца, втулки, звездочки для комбайнов, на-
правляющих станин металлорежущих станков и т. д. Закалка
может быть объемной, когда нагревается и охлаждается вся де-
таль, и поверхностной, когда деталь нагревается ТВЧ или газо-
вым пламенем.
Нагрев под закалку производится при температуре 820—
860° С, охлаждение — в воде или масле. Отпуск устанавливается
в зависимости от требуемой твердости. Например, поршневые
кольца компрессоров, изготовленные из серого чугуна СЧ 32-52,
закаливают при температуре 850—860° С, затем охлаждают в во-
де. Отпуск осуществляется при температуре 420—430° С в течение
1 часа. После такой термической обработки твердость НВ 217—
241 или HRB 95—105. Для закалки и отпуска колец применяют
специальные приспособления.
Для направляющих станин металлорежущих станков исполь-
зуют поверхностную закалку.
На московском станкостроительном заводе «Красный проле-
тарий» направляющие станин токарно-винторезных станков, из-
готовленные из серого чугуна СЧ 21—48, закаливают токами вы-
сокой частоты на ламповом генераторе мощностью 100 кет. За-
калку производят на специальной установке, находящейся в
общем потоке их обработки. Два индуктора, имеющие профиль
направляющей станины, закреплены неподвижно. Станина дви-
жется со скоростью 120 мм) мин. Охлаждают станины водой из
спреера, который расположен за индукторами. Глубина зака-
ленного слоя 2,5—3,5 мм. Твердость HRC 52—54. После закалки
направляющие станин обладают высокой износостойкостью и
обеспечивают надежную работу станков.
Искусственное старение применяют в настоящее
время вместо естественного старения для чугунных отливок не-
которых деталей металлорежущих станков. Объясняется это сле-
дующим. В отливках сложной формы (корпуса токарных, фре-
зерных, сверлильных и других станков), изготовленных из серо-
го чугуна, имеются значительные внутренние напряжения. С те-
чением времени эти напряжения самопроизвольно снимаются.
Раньше для снятия напряжений отливки, например станин
металлорежущих станков, вылеживали на заводском дворе под
действием климатических факторов в течение одного года, после
чего их направляли на механическую обработку. Такое выле-
живание отливок называется естественным старением. Естест-
венное старение очень удлиняет производственный цикл, поэтому
оно было заменено искусственным.
На автозаводе имени Лихачева искусственное старение про-
245
изводится в печах с выдвижным подом по циклическому режиму
при температуре 500±20°С с тройным охлаждением и нагревом
(рис. 133).
Отливки 1на старение подаются после предварительной меха-
нической обработки, т. е. снятия литейной корки с мест, предна-
значенных для фрезерования, сверления и шлифования.
Рис. 133. График циклического режима старения чу-
гуна
§ 11. ТЕРМИЧЕСКАЯ ОБРАБОТКА АЛЮМИНИЕВЫХ И МАГНИЕВЫХ
СПЛАВОВ
Термическая обработка алюминиевых и магниевых сплавов
является ответственной операцией технологического процесса.
Цель ее — изменить структуру и физико-химические свойства
сплавов. Режим термической обработки выбирают в зависимости
от сплавов и метода изготовления из них заготовок и деталей.
Термическая обработка деталей, изготовленных из алюми-
ниевых сплавов, основана на том, что с понижением температу-
ры растворимость многих элементов в твердом алюминии умень-
шается. При нагреве под закалку алюминиевые сплавы непол-
ностью кристаллизуются. Если сплав перегрет, в результате чего
структура получилась с крупным зерном, то такой сплав бра-
куется. Поэтому термист должен быть внимателен к нагреву де-
талей из алюминиевых сплавов.
Термическая обработка деформируемых алюминиевых спла-
вов. Деформируемые алюминиевые сплавы подвергают таким
видам термической обработки, как отжиг, закалка, старение.
Отжиг применяют для заготовок с целью придания мате-
риалу пластических свойств, необходимых для выполнения опе-
раций, которые связаны с обработкой давлением в холодном со-
246
стоянии. В зависимости от сплава и 1назначения полуфабрикатов
применяют высокий, низкий и полный отжиг.
Высокий отжиг (310—350° С) предназначается для полного
разупрочнения (снятия наклепа) материала, происходящего пос-
ле холодной пластической деформации сплавов А1, АД, AM
и др.
Низкий отжиг (150—300° С) также применяют для сплавов
А1, АД, AM, но с целью повышения пластичности при сохране-
нии достаточной прочности, полученной нагартовкой.
Полный отжиг (380—450° С) применяют для полуфабрика-
тов, изготовленных из термически упрочняемых сплавов Д1, Д16,
АК6 и т. д., чтобы получить высокую пластичность и снять
упрочнение, полученное в результате закалки и старения.
Для снятия эффективности естественного старения и возвра-
щения материала к свежезакаленному состоянию применяют на-
грев в течение нескольких секунд или минут при температуре
200—250° С. Такой вид операции 1называют отжигом ina возврат.
Закалка деформируемых алюминиевых сплавов, в основ-
ном дюралюминия Д1, Д16 и Д18, состоит только из одной опе-
рации— нагрева с охлаждением в воде при температуре 30—
40° С- Температура закалки для Д1 берется равной 495—505° С,
для Д16 — 490—500° С, для Д18 — 495—510° С. Выдержка при
нагреве устанавливается в зависимости от размеров деталей.
Особенность дюралюминия заключается в том, что он прояв-
ляет повышенную восприимчивость к старению при комнатной
температуре. Стабилизация свойств происходит примерно через
четверо суток. Искусственное старение дюралюминия неблаго-
приятно сказывается на механических свойствах и коррозийной
стойкости.
Термическая обработка литейных алюминиевых сплавов.
В отличие от деформируемых литейные алюминиевые сплавы
почти все подвергаются термической обработке.
Для отливок из сплавов применяют несколько видов термиче-
ской обработки, характеристика которых приведена в табл. 31.
Таблица 31
Виды термической обработки литейных алюминиевых сплавов
Вид термической обработки Условное обозначение термической обработки Назначение
Искусственное старе- ние без предварительной закалки Отжиг Т1 Т2 Для улучшения обрабатываемости резанием литых деталей и повыше- ния механической прочности Для снятия литейных и термиче- ских напряжений, наклепа и повы- шения пластичности
247
Продолжение табл. 21
Вид термической обработки Условное обозначение термической обработки Назначение
Закалка ТЗ Для применения деталей в свеже- закаленном состоянии
Закалка и естественное старение Т4 Для повышения прочностных свойств
Закалка и кратковре- менное старение Т5 Для получения достаточно высо- кой прочности и повышенной плас- тичности
Закалка и полное ис- кусственное старение Тб Для получения максимальных проч- ностных свойств
Закалка и стабилизи- рующий отпуск Т7 Для получения достаточной проч- ности и стабильной структуры
Закалка и смягчающий отпуск Т8 Для получения повышенной плас- тичности за счет снижения прочно- стных свойств
Циклическая обработка (холодом и последую- щим нагревом) T9 Для получения деталей с более устойчивым состоянием по геометрии
Наиболее типичные режимы термической обработки отливок
из алюминиевых сплавов приведены в табл. 32.
Таблица 32
Режимы термической обработки литейных алюминиевых сплавов
Марка сплава Обозначе- ние терми- ческой обработки Закалка Отпуск
температура нагрева, °C время вы- держки, час. среда охлажде- ния и ее темпера- тура, °C темпера- тура на- грева, °C время выдержки, час. среда охлажде- ния
АЛ1 Т5 515±5 2-5 Вода 20—100 175 ±10 3-5 Воздух
АЛ1 Т7 515±5 2-5 Вода 20—100 или воздух 220 ±10 2-4 То же
АЛ4 Т1 — — — 175 ±5 5-17
АЛ4 Тб 535 ±5 2-6 Вода 20-100 175±5 10-15 и
АЛ9 Т4 535 ± 5 2-6 Вода 20-100 — — —
АЛ12 Т2 — — — 290 ±10 3 Воздух
В300 Т2 — — — 300 ±5 3—10
В300 Т7 Ступенча- тый нагрев 500 ±5 525 ±5 2-5 Вода 20-100 или масло 300 ±5 з-ю п
248
Температуру закаливающей воды повышают для предотвра-
щения закалочных трещин в отливках, причем, чем сложнее фор-
ма отливок, тем более высокой берется температура воды.
Термическая обработка магниевых сплавов. Деформируемые
и литейные магниевые сплавы в основном подвергают трем ви-
дам термической обработки: отжигу (Т2), закалке (Т4) и закал-
ке с последующим искусственным старением (Тб). Деформируе-
мые магниевые сплавы обычно отжигаются для рекристаллиза-
ции и повышения пластичности, а отливки из них — для снятия
напряжений. Режимы термической обработки магниевых спла-
вов приведены в табл. 33. Выдержка при закалке и старении
дается выше, чем для алюминиевых сплавов, так как фазовые
превращения происходят очень медленно.
Таблица 33
Режим термической обработки некоторых магниевых сплавов
Марка сплава Обозначение термической обработки Закалка Отпуск
темпера- тура, °C выдержка, час. охлажде- ние темпера- тура, °C выдержка, час.
МА5 Т2 350—380 3-6
МЛ5 Т2 — — — 170-250 3-5
МА5 Т4 410-420 4-12 Горячая вода — —
МЛ5 Тб 410-420 12-16 Воздух — —
МА5 Тб 410-420 4 Горячая вода 170—180 16-24
МЛ5 Тб 410-420 12—16 Воздух 170—180 16
МЛ4 Тб 375-385 10—16 160-190 16
Магниевые сплавы склонны к окислению, поэтому их нагре-
вают под закалку в вакуумных печах или в печах с защитной ат-
мосферой, состоящей из смеси воздуха с 0,7—1,0% сернистого
газа.
Дефекты и брак при термической обработке алюминиевых
и магниевых сплавов. При термической обработке заготовок и
деталей из алюминиевых и магниевых сплавов возможны дефек-
ты (неудовлетворительные механические свойства, неравномер-
ная закалка, коробление) и брак (трещины и пузыри).
Неудовлетворительные механические свой-
ства появляются в результате завышения прочности заготовок
в отожженном состоянии и занижения их прочности и пластич-
ности в закаленном состоянии. Причинами возникновения такого
дефекта могут быть заниженная температура, небольшая вы-
держка и повышенная скорость охлаждения.
Неравномерная закалка деталей сложной формы
способствует образованию в них разных участков с различными
механическими свойствами. Этот дефект исправляют повторной
закалкой в специальных приспособлениях.
17—1134 249
Коробление возникает в тех случаях, когда в процессе
закалки и старения в деталях происходят значительные внутри-
кристаллические изменения, что способствует изменению разме-
ров деталей. Коробление часто наблюдается и при механической
обработке деталей, что вызывается перераспределением остаточ-
ных 1напряжений. Для устранения такого дефекта необходимо
правильно выбирать температуру нагрева и правильно вести ох-
лаждение.
Трещины при закалке образуются при сложной конфигу-
рации деталей, их разностенности и завышенных скоростях на-
грева и охлаждения. Детали с трещинами считаются оконча-
тельным браком. Для того чтобы не появились трещины, необ-
ходимо не только правильно нагревать детали, но и изолировать
места деталей с тонкими стенками асбестом, чтобы обеспечить
равномерный прогрев всей детали.
Пузыри образуются при нагреве листового металла в ре-
зультате появления неплотности между плакированным слоем
и сердцевиной листа, куда проникают воздух и пары воды. Кро-
ме того, пузыри могут возникать из-за остатков грязи, смазки
и т. п. Для предотвращения возникновения пузырей необходимо
тщательно очищать поверхность плакированных листов и улуч-
шать их качество.
§ 12. КОНТРОЛЬ КАЧЕСТВА ТЕРМИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКИ
Термическая обработка металлов является сложным и ответ-
ственным технологическим процессом. Она зависит не только от
правильности технологии и качества тех материалов, из которых
изготовлены детали, но и от мастерства и внимательности тер-
миста.
Качество всех материалов и готовой продукции термических
цехов подвергают проверке. Качество исходных металлов и мате-
риалов определяют в лабораториях завода, применяя современ-
ные химические и физические методы.
Готовую продукцию термических цехов проверяют работники
технического контроля.
Руководствуясь техническими условиями, имеющимися в тех-
нологических картах, инструкциях, чертежах, контролеры оце-
нивают качество термической обработки деталей и на основании
протоколов экспресс-лабораторий и данных контроля устанавли-
вают причины брака.
Технические контролеры совместно с работниками лаборато-
рий не только выявляют брак, но и предупреждают его появле-
ние.
Для определения химического состава и марки чугуна, стали
и других металлов применяют химический и спектральный
анализ, а также пробу на искру.
250
Химический анализ осуществляется следующим об-
разом. От исследуемого металла берется проба в виде мелкой
стружки весом в несколько грамм. Эту навеску помещают или
в какую-нибудь кислоту или в другой химический реактив, с тем
чтобы все элементы данного металла растворились, а исследуе-
мый не растворился, т. е. образовал осадок. Выпавший осадок
отфильтровывают, взвешивают и по весу, составляющему опре-
деленную долю навески, определяют исследуемый элемент.
Существует несколько методов химического анализа, в ос-
нове которых лежат химические реакции.
Спектральный анализ в настоящее время широко
применяют на заводах. Для анализа обычно используют спе-
циальные приборы — стилоскопы и спектрографы. Выполняют
анализ следующим образом. Между анализируемой деталью и
медным электродом стилоскопа возбуждают электрическую
дугу. Свет от дуги (раскаленные пары металла) проектируется
на щель спектрального аппарата, проходит через оптическую
систему линз и разлагается на гамму цветов — линейный спектр.
В спектре наблюдается пять основных цветов: красный, желтый,
зеленый, голубой и фиолетовый. Каждый элемент имеет свою
линию спектра.
По цвету и интенсивности линий спектра, наблюдаемых в
стилоскопе, определяют, какой элемент и в каком количестве
находится в металле. При спектральном анализе детали прак-
тически не повреждаются. Спектральный анализ способствует
хорошему и быстрому сортированию готовых деталей по маркам
стали.
Для точного определения процентного состава металла (коли-
чественный анализ) применяют более совершенный аппарат —
спектрограф. В этом случае получаемый спектр исследуемого ме-
талла фотографируется на фотопластинку.
Пробу на искру применяют в тех случаях, когда необхо-
димо быстро установить содержание углерода и легированных
элементов в стали.
Как известно, на заводах используют сталь многих марок, под-
вергаемых термической или химико-термической обработке. При
этом каждая марка стали обрабатывается по точно установлен-
ным режимам (температуре нагрева, времени выдержки, среде
охлаждения и т. д.), так как любые отклонения от этих режимов
могут привести к появлению брака. В термический цех иногда по-
ступает партия деталей, отдельные детали которой изготовлены
не из той стали, которая указана в чертеже или в накладной. В це-
лях предупреждения брака термисты должны проверить детали
пробой на искру. Проба на искру производится следующим обра-
зом. Стальную деталь слегка прижимают к быстро вращающе-
муся шлифовальному кругу, наблюдая за цветом и формой полу-
чающегося пучка искр. Каждая сталь имеет свой, определенный
17* 251
вид искр (рис. 134). При наблюдении термист должен обращать
внимание на длину и окраску искр, а также на форму звездочек.
Кроме того, термист должен знать состав проверяемых сталей.
Контроль микроструктуры, определение качества и глубины
цементованного слоя, правильность термической обработки про-
Рис. 134. Виды искр стали различного состава
изводится металлографическим методом при помощи обычного
микроскопа МИМ-7 по микрошлифам, изготовленным из терми-
чески обработанных деталей.
Твердость термически обработанных деталей контролируется
по приборам Роквелла, Бринелля, Виккерса и т. д.
Контролеры в термических цехах обычно проверяют детали по
твердости, обращая внимание на видимые невооруженным глазом
252
поверхностные дефекты. Однако обнаружить поверхностные и
скрытые дефекты в стальных деталях (микротрещины, волосови-
ны, неметаллические включения, раковины и др.) возможно
только специальными методами и приборами.
В настоящее время на заводах широко применяют физические
методы контроля внешних и внутренних дефектов — магнитный,
люминесцентный, рентгеновский, ультразвуковой и др.
Магнитный м е т од позволяет обнаруживать самые мел-
кие и тонкие трещины, волосовины и другие дефекты, имеющиеся
на небольшой глубине и
частично выходящие на по-
верхность, но .невидимые
простым глазом.
На рис. 135 показана схе-
ма намагничивания. Подле-
жащую контролю деталь 3
намагничивают электромаг-
нитом 4. В тех местах, где
имеется трещина 2, магнит-
ный поток 1 рассеивается,
выходит на поверхность и
образует на краях трещины
полюса N и S. При погру-
жении детали в порошок
окиси железа, взвешенный в
керосине или трансформаторном масле (суспензию), частицы это-
го порошка притягиваются к полюсу, в результате чего обрисовы-
вается контур трещины, хорошо заметный невооруженным
глазом.
Кроме мокрого метода магнитного анализа, применяют сухой,
при котором железный порошок наносится на поверхность кон-
тролируемой детали из пульверизатора.
После магнитного контроля детали необходимо размагничи-
вать, используя диамагнитизатор (соленоид).
Люминесцентный и цветной методы дефектоскопии
применяют для контроля дефектов на поверхности немагнитных
деталей. Сущность люминесцентного метода состоит в том, что
готовые детали на некоторое время погружают в ванну со сма-
чивающей жидкостью, содержащей субикол. Жидкость с поверх-
ности детали смывают, но в мельчайших раковинах или трещин-
ках, выходящих на поверхность, она остается.
Для выявления дефектов деталь облучают ультрафиолетовы-
ми лучами ртутно-кварцевой лампы, под действием которых вы-
ступающий из дефектов субикол начинает светиться голубова-
тым или зеленоватым светом.
При цветном методе дефектоскопии исследуемая деталь ок-
рашивается специальной краской — Суданом и затем облучается
253
ультрафиолетовыми лучами, под действием которых краска в
местах дефектов начинает светиться.
Метод окраски Суданом хороший и надежный, но длительный,
поэтому используется реже, чем люминесцентный.
Рентгеновский анализ применяют для контроля ка-
чества термической обработки деталей и выявления раковин, по-
ристости, непровара и других внутренних дефектов в литых, ко-
ваных и сварных деталях, а также для изучения кристалличе-
ского строения металлов и определения типа кристаллической
Рис. 136. Схема установки для просвечивания рентгенов-
скими лучами:
/ — катод, 2 — антикатод, 3 — зеркало антикатода (вольфрам), 4 —
рентгеновские лучи, 5 — раковина, 6 — плотное включение, 7 — уси-
ливающие экраны, 8 — рентгеновская пленка, 9 — свинец, 10 — кас-
сета, // — снимаемый объект, 12— труба для отвода воды
решетки (рентгеноструктурный анализ). Рентгеновские лучи об-
ладают способностью проникать в глубь металлических тел. Они
образуются в рентгеновских трубках, в которых пучок катодных
лучей (поток электронов) ударяется о поверхность металли-
ческого антикатода и вызывает рентгеновское излучение.
Рентгеновские лучи имеют ту же природу, что и световые, но
длина волны их приблизительно в 10 000 раз меньше, что позво-
ляет им проникать внутрь непрозрачных тел и отражаться от
атомов, выявляя их расположение в пространстве. Схема уста-
новки для просвечивания показана на рис. 136.
254
в)
Рис. 137. Импульсный ультразвуковой дефектоскоп:
а — общий вид, б — экран индикатора
Рентгеновские лучи, проходя из трубки через снимаемый
объект 11, попадают на фотографическую пленку 8. Интенсив-
ность действия рентгеновских лучей на эмульсию фотопленки
будет различна. Это вызвано тем, что при прохождении через
разные по толщине и плотности места металла рентгеновские
лучи ослабляются по-разному. В результате этого на фотопленке
образуются более темные и более светлые места. Рентгеновские
лучи, проходящие через места с трещинами и раковинами, будут
ослабляться меньше, чем лучи, проходящие через плотный ме-
талл, поэтому на фотопленке происходит резкое выявление де-
фекта.
Современные рентгеновские установки для просвечивания
дают лучи, способные проникать в стальное тело до 300 мм, а в
алюминиевое — глубиной до 500 мм. Для просвечивания
стальных деталей толще 300 мм применяют гамма-лучи. Источ-
ником гамма-лучей являются радиоактивные вещества — ко-
' бальт-60 и иридий-192.
Ультразвуковой анализ используют для определе-
ния расположения дефектов — раковин, трещин и расслоений,
(находящихся иа глубине нескольких десятков сантиметров, в
массивных валах, вагонных осях и крупных поковках. Принцип
работы ультразвукового дефектоскопа (рис. 137) основан на ис-
пользовании ультразвуковых колебаний, которые отражаются
от неоднородностей внутри металла. Ультразвуковые колебания
находятся выше предела слышимости. Так как время прохожде-
ния ультразвуковых колебаний до дефекта меньше, чем время
прохождения их до дна исследуемой детали, то пик от дефект-
ного сигнала возникает раньше.
Используя явление резонанса кварцевого пьезоэлектрическо-
го преобразователя (щупа), можно получить достаточно мощные
ультразвуковые колебания при помощи маломощных источни-
ков.
В настоящее время импульсные ультразвуковые дефектоскопы
автоматизируются и широко применяются в промышленности.
Контрольные вопросы
1. Какие превращения происходят в стали при нагреве и охлаждении?
2. Что называется отжигом и нормализацией и каково их назначение?
3. Какие структуры получаются в закаленной стали?
4. Для каких целей применяют отпуск закаленной стали?
5. Что называется цементацией и на какие виды она подразделяется?
6. Для каких целей применяют искусственное старение чугунов?
7. Почему легированные стали необходимо нагревать медленнее, чем уг-
леродистые?
8. В чем состоят особенности термической обработки алюминиевых и маг-
ниевых сплавов?
9. Как и для чего производится контроль качества термической обра-
ботки?
Глава X
МЕХАНИЗАЦИЯ И АВТОМАТИЗАЦИЯ ПРОЦЕССОВ
ТЕРМИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКИ
§ 1. ЗНАЧЕНИЕ МЕХАНИЗАЦИИ И АВТОМАТИЗАЦИИ
ПРОЦЕССОВ ТЕРМИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКИ
Механизация и автоматизация производственных процессов
является одним из главных направлений технического прогресса
в народном хозяйстве.
Механизация и автоматизация резко повышают производи-
тельность труда, позволяют облегчить физический труд рабочего
и значительно улучшить качество выпускаемой продукции.
В решениях XXII съезда КПСС и ноябрьского Пленума пар-
тии особое внимание уделяется механизации и автоматизации
производства, внедрению передовых технологических методов как
одному из главных и решающих условий выполнения семилетнего
плана развития народного хозяйства и создания материально-
технической базы коммунизма.
Механизация и автоматизация производственных процессов
играет большую роль в развитии и усовершенствовании процес-
сов термической и химико-термической обработки металлов.
В области термической обработки особое внимание должно уде-
ляться механизации и автоматизации тяжелых и трудоемких
процессов, т. е. созданию поточных агрегатных установок, позво-
ляющих встраивать их в одну общую с механической обработкой
производственную линию. Механизация и автоматизация в тер-
мических цехах может охватывать как отдельные процессы тер-
мической и химико-термической обработки, так и их комплексы.
Степень механизации и автоматизации термической обработ-
ки, а также средства, которые могут быть использованы для
этого, определяются объемом и видами производства.
257
§ 2. ПОНЯТИЕ ОБ УСТРОЙСТВЕ И ПРИНЦИПАХ ДЕЙСТВИЯ
АВТОМАТИЧЕСКИХ СИСТЕМ
Элементы и приборы. К основным элементам и приборам
автоматических систем относятся датчики, реле и другие испол-
нительные устройства и механизмы.
Датчик — это чувствительный элемент системы автомати-
ческого управления механизмами и контроля технологических
процессов. Он реагирует на изменение давления, длины, скоро-
сти, температуры и т. д. и дает сигналы, позволяющие изменять
эти величины или воздействовать на механизмы и приборы, ав-
Рие. 138. Электромагнитное реле
томатически управляющие работой оборудования. Сигналы мо-
гут быть механическими, связанными с изменением положения
узла или детали, гидравлическими и пневматическими, зави-
сящими от давления жидкости или газа в замкнутом трубопро-
воде.
Реле представляет собой прибор, который под влиянием
различных факторов, например тока, температуры и света, авто-
матически замыкает и размыкает электрическую (реле прямого
действия) или вспомогательную цепь, замыкание или размыкание
которой передается в свою очередь контролируемой цепи (реле
косвенного действия). Реле классифицируют по назначению и
конструкции. В схемах управления механизмами применяют за-
щитные, промежуточные, реле времени и др. Наиболее распро-
странено тепловое защитное реле, основным реагирующим эле-
ментом которого является биметаллическая пластинка, нагрева-
ющаяся при перегрузке. При тепловом расширении пластинка
механически воздействует на контакты в цепи управления, в ре-
зультате чего они размыкаются, а аппаратура, подвергшаяся пе-
регрузке, выключается.
258
Рис. 139. Моторное реле времени
В электромагнитном реле (рис. 138) реагирующим элемен-
том являются медные контакты 3. Верхний контакт подвижный.
Он находится на стальном якоре 2 и при прохождении электриче-
ского тока по обмотке электромагнита 5 притягивается сердеч-
ником электромагнита 4 к неподвижному контакту. При размы-
кании электрической цепи стальной якорь с верхним контак-
том при помощи пружины 1 возвращается в исходное поло-
жение.
Реле времени (электромагнитные, маятниковые, электронные,
моторные и др.) используют для регулирования времени дейст-
вия механизмов в схемах
управления.
Наибольшее применение
в схемах управления меха-
низмами термических агре-
гатов получили моторные
реле времени (рис. 139).
Синхронный электродви-
гатель М включается в реле
одновременно с катушкой
электромагнита ЭМ, замы-
кая блок-контакт БК. Кон-
такт ВК предназначен для
включения реле в схему.
Включенный синхронный
электродвигатель передает
вращение через систему пе-
редач основному валу, ко-
торый в свою очередь через
муфту приводит во вращение
соединенный с ним привод-
ной вал. Это соединение имеет электромагнит, предназначенный
для преодоления сопротивления пружины при включении вала
реле. При помощи рычага, установленного на валу реле, по исте-
чении определенного времени размыкается контакт СК и одно-
временно замыкается контакт РВ-1. При размыкании контакта
СК электромагнит ЭМ и блок-контакт БК включаются, при
этом ротор электродвигателя продолжает вращаться до разрыва
цепи контактом ВК. Отключенный от электродвигателя под дей-
ствием пружины вал реле при размыкании контакта СК возвра-
щается в исходное положение.
Время от момента замыкания контакта ВК до разрыва цепи с
катушкой электромагнита является временем регулируемого
цикла.
Принцип действия автоматических систем. Назначение авто-
матических систем заключается в последовательном выполнении
технологических операций.
259
Одним из характерных видов автоматических систем являет-
ся система подвода газа и воздуха к термическим печам и агре-
гатам (рис. 140). Расположение устройства показано только с
одной стороны печи.
По трубопроводу 5 к отопительной системе подводится при-
родный газ, а по трубопроводу 1 — воздух. В системе отопления
газ, давление которого устанавливается на нуль мембранным ре-
гулятором 4, инжектируется воздухом в инспираторе 6. Из ин-
Рис. 140. Схема подвода газа и воздуха к ото-
пительной системе закалочной печи
спиратора приготовленная газовоздушная смесь направляется
в коллектор 7, а затем к горелкам 9 и 8. Каждая из горелок от-
регулирована на определенный расход газа. Расход газа всех го-
релок регулируется дроссельным клапаном 3, действующим от
исполнительного механизма 2, который связан с автоматическим
регулятором температуры. Исполнительный механизм регулиру-
ет работу обеих групп горелок, находящихся по обе стороны
печи.
260
§ 3. МЕХАНИЗАЦИЯ В ТЕРМИЧЕСКИХ ЦЕХАХ
Наиболее важными факторами, характеризующими современ-
ный уровень термической обработки, являются прогрессивная
технология и высокопроизводительное механизированное и авто-
матизированное оборудование. В термических цехах широко ис-
пользуют механизацию не только для операций непосредственной
термической обработки, но и последующих операций — очистки
деталей от окалины, промывки, правки под прессом и т. д.
Основными средствами механизации печей и закалочных аг-
регатов являются конвейеры, толкатели, шнеки и другие устрой-
ства для загрузки и выгрузки деталей при термических опера-
циях, перемещения их в печах и закалочных баках, подъема и
опускания заслонок рабочих окон печей, подъема крышек шахт-
ных цементационных печей и т. д.
В качестве примера широкой механизации, когда механизмы
выполняют основную работу термиста, можно привести работу
закалочно-отпускного агрегата для термической обработки под-
шипниковых колец (см. рис. 86). У такого агрегата основные
операции — передача колец по операциям, закалка, охлаждение
и отпуск механизированы. Работа термиста в этом случае сво-
дится только к загрузке заготовок в печь и укладыванию гото-
вых деталей в тару.
Важным этапом развития механизации и перехода к автома-
тическим процессам термической обработки деталей является
внедрение полуавтоматических печей и агрегатов.
На рис. 141 показана полуавтоматическая установка для за-
калки крупногабаритных деталей в водо-воздушной смеси.
Установка состоит из тележки 8 на колесах 15 для передви-
жения деталей 7, лебедки 1, камеры 9 для охлаждения детали,
форсунок-распылителей водо-воздушной смеси 14, устройства
2 для включения форсунок, пневматического толкателя 12 и ме-
ханизма 10 для перемещения экранов.
Деталь, например штамп весом более 5 т, переносится при
помощи крана на тележку, которая передвигается по рельсам
в охлаждающую камеру, а форсунки-распылители — при по-
мощи автоматических устройств. Давление воды и ее расход ре-
гулируются манометром 5 и электронным прибором 3, а расход
и давление воздуха — при помощи манометров 4 и 6 и редукто-
ров. Время охлаждения детали задается реле времени. Для рав-
номерного охлаждения форсунки-распылители находятся в не-
прерывном возвратно-поступательном движении.
Камера штампа имеет защитные экраны 13, предохраняющие
верхний боковой торец от среды охлаждения и перемещающие-
ся при помощи механизма 10. Горячий пар отводится через
кожух И, соединенный через трубу 16 с вытяжной вентиля-
цией.
261
Рис. 141. Схема полуавтоматической установки для закалки крупногабаритных деталей
§ 4. АВТОМАТИЗАЦИЯ В ТЕРМИЧЕСКИХ ЦЕХАХ
Автоматизация термического производства предусматривает
применение устройств, обеспечивающих автоматическое управле-
ние работой термических печей, соляных ванн, муфельных и без-
муфельных агрегатов и т. д.
Автоматизация является главным условием эффективного
осуществления прогрессивных процессов термической обработки,
которые не только облегчают труд рабочих, но и выполняют ряд
технологических и регламентирующих функций. Технологические
функции заключаются в поддержании устанавливаемых пара-
метров (температуры, среды и т. п.).
Регламентацию применяют для поддержания заданных
ритма работы и продолжительности технологического процесса.
Она необходима для проведения скоростных процессов терми-
ческой обработки.
Автоматизация технологических процессов термической об-
работки достигается при помощи контрольно-измерительных при-
боров и исполнительных механизмов путем изменения темпера-
туры нагрева, химического состава среды (газового карбюриза-
тора); регламентации порядка и продолжительности операций;
выполнения постоянно повторяющихся рабочих приемов (за-
крыть — открыть, включить — выключить, поднять — опустить
и т. п.).
При термической обработке сравнительно просто поддаются
автоматизации процессы обработки деталей средних и неболь-
ших размеров, форма которых позволяет перекатывать и протал-
кивать их без помощи приспособлений, а также загружать и
выгружать путем сбрасывания под действием собственного веса.
Наиболее трудно автоматизируются термические операции обра-
ботки деталей сложной формы, с острыми гранями и резкими
переходами от одного сечения к другому, так как при их перед-
вижении по рабочему пространству закалочных печей и агрега-
тов на них могут возникнуть забоины, сколы, вмятины и другие
дефекты.
Основными направлениями дальнейшего развития автомати-
зации технологических процессов термической обработки явля-
ются печной и индукционный нагрев с программным регулиро-
ванием режимов нагрева и охлаждения, создание автоматиче-
ских линий, в которых совмещается ряд последовательных опера-
ций, соединение термической обработки с другими операциями
(например с прокаткой, с обработкой давлением и т. д.) в один
непрерывный технологический процесс, а также современные
физические методы контроля качества изделий и самого про-
цесса термической обработки.
В термических цехах машиностроительных заводов наиболее
современными действующими автоматизированными агрегатами
263
являются: безмуфельные агрегаты для газовой цементации и
нитроцементации автомобильных деталей (см. рис. 71); авто-
матические установки для газовой цементации зубчатых колес
с применением нагрева ТВЧ (см. рис. 87); установки для за-
калки ТВЧ коленчатых валов вакуумных печей для термиче-
ской обработки профилированных деталей, изготовленных из
высококачественных и специальных сталей, и т. д.
На рис. 142 показан общий вид контейнерной вакуумной
электропечи ОКБ-654, предназначенной для термической обра-
ботки стальных прутков длиной до 8000 мм. Термическую обра-
Рис. 142. Общий вид контейнерной вакуумной электропечи
ботку производят в двух муфелях, которые поочередно обслужи-
ваются передвигающейся нагревательной камерой.
Техническая характеристика
контейнерной вакуумной электропечи ОКБ-654
Мощность, кет.......................... 280
Максимальная рабочая температура,
°C..................................... 800
Вакуум, а<м. рт. ст................... до 1«10’’<
Вес одновременной загрузки муфеля, кг до 800
Время цикла термической обработки, час 12
Размеры рабочего пространства муфеля,
мм:
диаметр.............................. 270
длина............................. 8000
Все операции термической обработки в данной электропечи
механизированы и автоматизированы.
Основным направлением автоматизации термического обору-
дования и технологических процессов является комплексная ав-
томатизация. В качестве примера комплексной автоматизации
можно привести работу автоматического цеха 1-го ГПЗ. В этом
цехе все операции — получение и механическая обработка заго-
товок колец, термическая обработка, шлифование колец, кон-
троль, сборка и упаковка готовых подшипников — выполняются
на поточных линиях автоматически.
264
Контрольные вопросы
1. Что такое механизация и автоматизация?
2. Перечислите элементы и приборы, из которых состоит автоматическая
система.
3. Расскажите о механизации термических цехов.
4. Назовите детали, которые легко поддаются автоматизации при терми-
ческой обработке.
5. Каково направление дальнейшего развития автоматизации в термиче-
ских цехах?
:8—1134
Глава XI
ОСНОВНЫЕ СВЕДЕНИЯ ОБ ОРГАНИЗАЦИИ
И ЭКОНОМИКЕ ПРОИЗВОДСТВА
§ 1. ОРГАНИЗАЦИЯ ПРОИЗВОДСТВА
Организация производства есть социалистическая коопера-
ция на предприятии, основанная на общественной собственности
и средствах государства. Основными задачами социалистической
организации производства являются выполнение и перевыполне-
ние государственного плана, улучшение качественных показате-
лей производства при одновременном повышении идейно-поли-
тического и культурно-технического уровня работников произ-
водства.
Социалистическая система организации общественного труда
коренным образом отличается от капиталистической системы.
На социалистических предприятиях рабочие, участвуя в обще-
ственном производстве, увеличивают богатства всего народа.
На капиталистическом предприятии труд рабочего используется
для получения максимальной прибыли капиталистом, который
заставляет рабочего повышать производительность труда путем
экономического принуждения.
Организация управления предприятием. Предприятие пред-
ставляет собой комплекс цехов и отделов, определенным обра-
зом расположенных на территории предприятия, между которы-
ми существует тесная связь и кооперация по выполнению про-
изводственного процесса в целом. Руководство промышленными
предприятиями осуществляют совнархозы.
Предприятие возглавляет директор, назначаемый совнархо-
зом.
Он осуществляет руководство всей производственной и фи-
нансовой деятельностью предприятия на основе единоначалия.
Первым заместителем директора является главный инженер.
Он отвечает за выпуск современной, высококачественной продук-
ции, за внедрение новой техники, технологии и за оснащение
266
производства высокопроизводительным оборудованием. Глав-
ный инженер непосредственно руководит работой технических
служб предприятия, лабораториями и экспериментальным це-
хом.
На некоторых предприятиях директор имеет заместителя по
хозяйственным вопросам, который отвечает за хозяйственное
обеспечение производства, материально-техническое снабжение,
сбыт готовой продукции и т. д.
Предприятия имеют заводоуправление, которое состоит из
нескольких отделов. Плановый отдел разрабатывает проекты
планов цехов и всего завода в целом. Отдел труда и заработной
платы занимается разработкой мероприятий по повышению про-
изводительности труда рабочих, внедрением прогрессивной сис-
темы заработной платы, составляет планы по труду и способст-
вует развитию социалистического соревнования.
Технические отделы разрабатывают мероприятия по совер-
шенствованию выпускаемой продукции и созданию новых видов
изделий. На крупных заводах обычно имеется несколько таких
отделов, например конструкторский, технологический, металлур-
гический и др., в задачу которых входит внедрение в производ-
ство новых достижений науки и техники, механизации и авто-
матизации производственных процессов и т. д.
Производственно-диспетчерский отдел повседневно контро-
лирует работу предприятия и устраняет все причины, нарушаю-
щие нормальный ритм работы.
Главная бухгалтерия ведет бухгалтерский учет хозяйствен-
ной деятельности предприятия, контролирует расход денеж-
ных и материальных средств и соблюдение финансовой дисцип-
лины.
Права и обязанности администрации и рабочих. На каждом
предприятии имеются правила внутреннего трудового распоряд-
ка. Основными обязанностями администрации являются пра-
вильная организация труда рабочих, соблюдение законов и пра-
вил по охране труда, строгое выполнение установленного рас-
порядка рабочего дня, своевременная выдача заработной пла-
ты, осуществление мероприятий по технике безопасности и про-
изводственной санитарии и т. д.
Рабочие предприятия обязаны знать и соблюдать правила
внутреннего трудового распорядка.
Общественные организации на предприятии. Рабочие и слу-
жащие принимают активное участие в управлении производ-
ством. Их участие в основном осуществляется через обществен-
ные организации — партийную, комсомольскую и профсоюзную.
Партийная организация проводит большую политическую и
воспитательную работу среди коллектива предприятия. Она мо-
билизует работников предприятия на борьбу за выполнение го-
сударственного плана, за широкое внедрение в производство до-
18* 267
стижений науки и техники, добивается неуклонного роста произ-
водительности труда, принимает участие в подборе и расстановке
кадров.
Партийная организация контролирует деятельность админи-
страции, помогает ей своевременно вскрывать недостатки и на-
мечает пути их устранения.
Комсомольская организация предприятия является инициато-
ром движения ударников и бригад коммунистического труда.
Она мобилизует молодых рабочих на борьбу за повышение про-
изводительности труда, содействует повышению их политиче-
ского, культурного и технического уровня.
Наиболее массовая общественная организация на предприя-
тии— это профессиональные союзы. Через профсоюзы рабочие
и служащие принимают непосредственное участие в управлении
производством.
Основными задачами профсоюзной организации являются
повышение производительности труда, забота об улучшении ус-
ловий труда работающих, их отдыха, организация соревнований
и т. д. Профсоюзная организация заключает с администрацией
предприятия коллективные договоры, в которых перечисляются
взаимные обязательства как по производственной деятельности,
так и по культурно-бытовому обслуживанию.
Большую роль в вовлечении рабочих и служащих в управ-
ление предприятием имеют постоянно действующие производ-
ственные совещания. На производственных совещаниях заслу-
шиваются отчеты руководителей цехов и отделов о текущей ра-
боте, рассматриваются вопросы организации производства, об-
суждаются планы внедрения новой техники и т. д.
Производственные совещания мобилизуют коллектив пред-
приятия на выявление скрытых резервов и использование их
для совершенствования и роста производства.
§ 2. ОРГАНИЗАЦИЯ ТРУДА
Экономическую основу нашего социалистического государ-
ства составляет общественная собственность на средства произ-
водства.
Особенностью общественного труда в нашей стране является
его творческий характер. В семилетием плане развития народно-
го хозяйства, в условиях быстрого технического прогресса орга-
низация труда приобретает особое значение, следовательно, воз-
растают требования к формам и методам организации труда.
Организация труда на предприятии — это планомерное соз-
дание условий для высокопроизводительного и экономичного ис-
пользования рабочей силы и средств производства. Основное
содержание организации труда состоит в правильном распреде-
268
лении трудовых функций между рабочими, расстановке рабочей
силы по рабочим местам, установлении меры труда и его опла-
ты, а также создании условий для производительной работы.
Режим работы предприятий. Каждое предприятие в зависи-
мости от условий производства имеет свой режим работы. Неко-
торые заводы работают в одну или две, а предприятия массово-
го производства — в три смены.
Термические цехи обычно работают в две или три смены, что
обусловливается спецификой работы и действующим оборудо-
ванием, остановка которого связана с большими потерями вре-
мени и материальных средств.
Выдача и прием работы. Задания рабочим обычно выдаются
сменным мастером, который получает сменное задание от пла-
ново-диспетчерского бюро цеха.
Мастер проводит разделение труда, поручая несложные ра-
боты рабочим низкой квалификации, а сложные и ответствен-
ные— рабочим высокой квалификации. Изготовленную продук-
цию рабочий сдает на контрольный участок ОТК. По окончании
смены рабочий обязан привести в порядок рабочее место и обо-
рудование и только после этого передать его сменщику.
Квалификация рабочих. Квалификация рабочих неразрывно
связана с ростом их культурного и общеобразовательного уров-
ня. Если раньше от рабочего требовались определенные навыки
в работе и быстрота в выполнении операций, то теперь каждый
рабочий должен иметь большие теоретические знания, умение
обращаться со сложными машинами, обслуживать механизмы,
разбираться в схемах станков и т. д.
Подготовка рабочих осуществляется через систему государ-
ственных трудовых резервов, но большинство рабочих получает
специальность и квалификацию непосредственно на предприя-
тиях. Квалификация рабочих определяется тарифным разрядом,
который устанавливается мастером или начальником участка
после испытаний и выполнения пробы.
Самый низкий разряд (первый) присваивается рабочим пос-
ле трехмесячного обучения, а высший (шестой) — рабочим вы-
сокой квалификации.
Производительность труда. Решающим условием увеличения
выпуска промышленной продукции является всемерное повыше-
ние производительности труда, т. е. увеличение выработки каж-
дым рабочим в единицу времени.
Производительность труда В. И. Ленин определял как самое
важное, самое главное для победы нового общественного строя.
В Программе КПСС отмечается, что для выполнения экономи-
ческих задач необходимо поднять производительность труда в
промышленности в течение десяти лет более чем в 2 раза, а за
20 лет — в 4—4,5 раза.
Производительность труда — это важнейший показатель, ха-
269
рактеризующий эффективность работы завода или цеха. Она
определяется количеством продукции, произведенной одним ра-
ботающим в течение часа или смены.
Пути повышения производительности труда весьма разно-
образны. Основными из них являются снижение трудоемкости
продукции, рациональное использование рабочего времени,
уменьшение числа основных производственных рабочих.
Снижение трудоемкости продукции может быть достигнуто
механизацией и автоматизацией производства, улучшением ор-
ганизации производства и труда, наиболее полным использова-
нием производственных площадей и т. д.
Совершенствование технологии также способствует росту про-
изводительности труда и ускорению производственных процес-
сов. Например, перевод кулачковых валиков грузовых автомо-
билей с газовой цементации на закалку ТВЧ сокращает про-
должительность цикла термической обработки с 15—16 час. до 5—
6 мин. Причем новый технологический процесс закалки кулачко-
вых валиков позволил производить их термическую обработку
непосредственно в общем потоке механообрабатывающих стан-
ков. В связи с этим стала ненужной такая трудоемкая операция,
как транспортирование валиков из моторного цеха в терми-
ческий и обратно.
Важную роль в повышении производительности труда играет
социалистическое соревнование. Начатое по инициативе ударни-
ков и бригад коммунистического труда движение за рентабель-
ность, снижение себестоимости и сверхплановые накопления, за
увеличение съема продукции с единицы оборудования, за отлич-
ное выполнение каждой операции повысило рост производи-
тельности труда в различных отраслях промышленности.
§ 3. ТЕХНИЧЕСКОЕ НОРМИРОВАНИЕ И ЗАРАБОТНАЯ ПЛАТА
Техническое нормирование является основой правильной ор-
ганизации труда и заработной платы. Оно устанавливает, сколь-
ко времени нужно рабочему для выполнения какой-либо работы
в строгом соответствии с техническими условиями. Количество
времени, необходимое для изготовления данной детали, назы-
вают трудоемкостью.
Трудоемкость зависит от применяемого технологического про-
цесса и форм организации производства. Время, необходимое
для выполнения заданной работы с учетом наиболее эффектив-
ного использования всех средств производства, отвечающих уров-
ню современной техники и передовому опыту производства, на-
зывают нормой времени. Кроме нормы времени, на предприятиях
устанавливают нормы выработки. Нормой выработки называют
количество продукции, которое должно быть изготовлено в еди-
270
ницу времени (в минуту, час или смену). Норма выработки за
смену зависит от продолжительности смены и нормы времени.
Норма времени состоит из подготовительно-заключительного
и штучного времени.
Подготовительно-заключительным временем называют время,
затрачиваемое рабочим на ознакомление с заданием и чертежом,
на получение материалов, инструмента и подготовку рабочего
места.
Штучное время включает основное, вспомогательное время,
время обслуживания рабочего места и время перерывов на от-
дых.
Основное время — это время, затрачиваемое непосредствен-
но на изменение формы и размеров обрабатываемого изделия
(ковкой, штамповкой, точением, фрезерованием и т. д.), его
структуры и механических свойств (термической или химико-
термической обработкой).
Вспомогательное время — это время на выполнение работы
вспомогательного характера, например на укладку деталей в
приспособления при закалке, управление оборудованием и
Т. д.
Сумму основного и вспомогательного времени называют опе-
ративным временем.
Нормы времени на работу рассчитывают по нормативам. При
таком способе всю работу разбивают на отдельные элементы
(например, процесс закалки шпинделя фрезерного станка состо-
ит из укладки деталей на поддон; нагрева до заданной темпера-
туры; закалки с охлаждением в масле; отпуска; правки под прес-
сом и контроля твердости), после чего находят время, необходи-
мое для выполнения каждого элемента.
Для перевыполнения норм выработки каждый рабочий дол-
жен в совершенстве овладеть своей профессией. Молодые рабочие
должны не только постоянно учиться, но и перенимать опыт ква-
лифицированных, опытных рабочих. Перевыполнение норм вре-
мени повышает материально-культурный уровень рабочих.
В нашей стране труд рабочего оплачивается в соответствии
с технически обоснованными нормами времени, учетом квалифи-
кации труда, условий работы и т. д. На предприятиях обычно
используют две формы заработной платы рабочих: сдельную и
повременную.
При сдельной оплате труда сумма заработка рабоче-
го зависит от количества изготовленной им продукции. Эта фор-
ма заработной платы наиболее полно сочетает интересы рабо-
чего с интересами общества и поэтому широко применяется в
промышленности.
При повременной оплате сумма заработка зависит
от времени работы рабочего. Квалификацию рабочего, выполня-
ющего ту или иную работу, определяют по Тарифно-квалифика-
271
ционному справочнику. При такой системе оплаты работникам
различных квалификаций устанавливают соответствующие став-
ки, которыми и определяется размер их заработка. Они устанав-
ливаются для рабочих, труд которых по своему качеству соответ-
ствует 1-му разряду. Ставки остальных разрядов работы опре-
деляют умножением ставки 1-го разряда на соответствующий
тарифный коэффициент.
На всех машиностроительных заводах применяется тарифная
сетка, состоящая из шести разрядов и соответствующих им та-
рифных коэффициентов (табл. 34). Тарифные ставки для рабо-
чих-термистов выше, чем для рабочих на холодных работах, так
как термические цехи относятся к горячим цехам.
Таблица 34
Тарифная сетка и часовые тарифные ставки (в коп.)
при семичасовом рабочем дне
Тарифный разряд Тарифный коэффициент Для рабочих-сдельщиков Для рабочих-повременщиков
ставка 2 ставка 3 ставка 5 ставка 6
на горячих работах на холодных работах на горячих работах на холодных работах
1 1,0 36,7 32,0 32,0 27,5
2 1,13 41,5 36,2 36,2 31,1
3 1,29 47,3 41,3 41,3 35,5
4 1,48 54,3 47,4 47,4 40,7
5 1,72 63,1 55,0 55,0 47,3
6 2,00 73,4 64,0 64,0 55,0
Основным документом для повременной оплаты труда являет-
ся табельная карточка, в которой учитывается явка на работу
и проработанное время, а для сдельной оплаты труда — рабочий
наряд. На индивидуальные работы выписывается рабочий на-
ряд, в котором указывается характер работы, норма времени и
расценки.
Наряд для оплаты должен иметь подписи мастера, нормиров-
щика, а на операциях, где имеется ОТК,— штамп и подпись
контролера. Рабочий наряд выдается рабочему до начала ра-
боты.
На поточно-массовые работы выписывается наряд-рапорт за
одну смену или за полмесяца. В нем указываются постоянные
операции по заранее утвержденным нормам и расценкам. Такой
наряд выписывает наладчик или бригадир и заверяет мастер. На
участках, где имеется контролер, выработка подтверждается
контролером ОТК.
272
§ 4. ПОНЯТИЕ О ПЛАНИРОВАНИИ, ХОЗРАСЧЕТЕ
И РЕНТАБЕЛЬНОСТИ ПРОИЗВОДСТВА
Понятие о планировании. Планирование является важнейшей
хозяйственно-организационной функцией каждого предприятия.
Предприятия получают план от плановых органов совета народ-
ного хозяйства в зависимости от выпуска продукции. Производ-
ственное планирование предприятия должно обеспечивать вы-
пуск продукции по установленной номенклатуре в определенные
сроки при одновременном выполнении установленных качествен-
ных и экономических показателей: повышении производительно-
сти труда, снижении себестоимости и уменьшении потерь, воз-
никающих при браке. В соответствии с годовым планом выпуска
продукции намечается план технических мероприятий, направ-
ленный на улучшение работы. По утвержденной программе про-
изводства, с учетом незавершенного производства и готовых де-
талей плановый отдел составляет годовой план в натуральных
показателях по выпуску валовой и товарной продукции.
Валовая продукция включает всю товарную продукцию; при-
рост незавершенного производства; прирост неизрасходованных
полуфабрикатов, предназначенных для заводского потребления,
а также изготовленных инструментов, приспособлений, вспомо-
гательных материалов и запасных частей для потребления внут-
ри предприятия; стоимость сырья заказчиков, не входящую в
товарную продукцию.
К товарной продукции относится вся изготовленная и реали-
зуемая продукция.
В соответствии с производственной программой цеха состав-
ляется месячная программа для участков и смен с перечислени-
ем номенклатуры деталей и сроков их сдачи. При цеховом пла-
нировании очень важно вовремя довести задание до каждого ра-
ботающего, учитывать суточные задания и контролировать вы-
полнение месячного плана.
Качество продукции. Оно является важным показате-
лем производственной программы.
Качество продукции определяют по стандартам, в которых
даны обязательные для всех предприятий типовые нормы каче-
ства, размеры и свойства выпускаемой продукции, техническим
условиям, показателям сортности, а также по надежности и дол-
говечности.
Повышение качества продукции имеет большое значение для
народного хозяйства. Оно достигается увеличением технического
уровня производства, внедрением передовой технологии, совер-
шенствованием конструкций изделий, повышением квалификации
рабочих и правильной организацией работы отдела технического
контроля.
Себестоимость продукции. Себестоимостью называ-
273.
ют денежное выражение стоимости или издержек производства
продукции за исключением той части, которая идет на образо-
вание чистого дохода.
Себестоимость продукции складывается из затрат на сырье,
основные и вспомогательные материалы, топливо, электроэнер-
гию, общезаводские расходы, амортизацию заводских зданий,
оборудование и на заработную плату основных производствен-
ных рабочих. Большую часть себестоимости выпускаемой про-
дукции (автомобили, станки, тракторы и т. д.) составляют за-
траты на сырье, основные материалы и заработную плату.
В зависимости от звеньев производства, в которых произведе-
ны затраты, различают три вида себестоимости.
Цеховая себестоимость включает все затраты данного цеха
на производство продукции и характеризует результаты произ-
водственной работы цеха.
К заводской себестоимости относятся все затраты предприя-
тия на производство продукции, по которой судят о работе за-
вода в целом.
Полная себестоимость включает затраты не только на про-
изводство, но и на реализацию продукции.
Себестоимость продукции — основной качественный показа-
тель работы предприятия.
Снижение себестоимости продукции определяет успехи раз-
вития социалистической экономики, дает государству дополни-
тельные средства для дальнейшего развития общественного про-
изводства и повышения материального благосостояния трудя-
щихся.
Каждое предприятие, цех и участок ведут повседневную борь-
бу за снижение себестоимости продукции.
В термических цехах снижение себестоимости достигается по-
вышением производительности труда за счет внедрения новых
технологических процессов и их автоматизации. Например, внед-
рение новейшего процесса химико-термической обработки — нит-
роцементации снижает себестоимость обработки 1 кг стальных
деталей на 60—80%.
Бережный расход электрической энергии при эксплуатации
нагревательных печей, закалочного масла, закалочных солей,
ликвидация брака и т. д. в термических цехах также значитель-
но снижают себестоимость продукции.
Борьба за снижение себестоимости продукции — всенародное
дело. Новаторы производства — ударники коммунистического
труда выступают инициаторами соревнования за снижение себе-
стоимости продукции, за более экономное использование средств
и материалов. Их инициатива находит широкую поддержку всех
трудящихся.
Понятие о хозрасчете. Хозяйственный расчет — это один из
методов планового ведения хозяйства предприятия. Свою про-
.274
дукцию предприятие реализует по утвержденным плановым це-
нам, а деньги, полученные за продукцию, расходует на выплату
заработной платы, на покупку сырья, материалов, топлива и т. д.
Хозрасчетными могут быть не только предприятия в целом,
по и цехи, участки и бригады (внутрихозяйственный расчет).
Цехи, участки, бригады не имеют самостоятельных бухгалтер-
ских балансов, в которых отражались бы итоги их деятельности.
Поэтому для определения их работы фактические затраты сопо-
ставляются с плановыми нормами затрат.
Хозрасчет повышает материальную заинтересованность не
только всего коллектива, но и каждого работника.
В хозрасчетных цехах, участках и бригадах ежемесячно под-
водят итоги работы. Лучших работников премируют.
Рациональное ведение хозрасчетного предприятия достигает-
ся неуклонным снижением себестоимости продукции, соблюде-
нием строжайшего режима экономии, сопоставлением доходов
предприятия с его расходами.
Понятие о рентабельности. Рентабельностью называют при-
быльность, или доходность. Рентабельность является одним из
важнейших экономических показателей работы предприятия (це-
ха). При рассмотрении результатов работы предприятия или це-
ха следует учитывать три основных показателя: выполнение про-
изводственного плана (программы), себестоимость и качество
продукции. Если предприятие выполняет план по всем этим по-
казателям, то оно будет рентабельным. Высокое качество выпу-
скаемой продукции при одновременном снижении производствен-
ных затрат на ее изготовление — основа высокой рентабельности
любого предприятия.
§ 5. ТЕХНИЧЕСКИЙ ПРОГРЕСС В ПРОМЫШЛЕННОСТИ
Ярким проявлением технического прогресса в нашей про-
мышленности является непрерывное усовершенствование произ-
водства, внедрение новой техники и создание новых конструкций
машин, станков, имеющих высокие технико-экономические пока-
затели.
Претворяя в жизнь исторические решения XXII съезда пар-
тии и Программу КПСС, советские люди стремятся полнее ис-
пользовать не только достижения отечественной науки и техники,
но и зарубежный опыт в области автоматики, радиоэлектроники,
полупроводников, ультразвука, кибернетики и т. д.
Одним из главных направлений технического прогресса в об-
ласти термической обработки является полная механизация и
автоматизация производственных процессов, способствующая не
только повышению производительности труда, но и изменению
его характера.
275
Механизация и автоматизация позволяют: выбрать и уста-
новить наиболее оптимальные условия проведения технологиче-
ского процесса термической или химико-термической обработки,,
выбрать оптимальную температуру, требуемую глубину цемен-
тованного или нитроцементованного слоев, степень их насыще-
ния, установить наименьший расход топлива, электроэнергии
и т. д.
Важным направлением является организация термической
обработки непосредственно в потоке механической обработки де-
талей. Внедрение прогрессивных методов газовой цементации и
нитроцементации в безмуфельных агрегатах; использование теп-
ла, получаемого в результате предыдущих технологических опе-
раций— ковки, штамповки, горячей высадки; разработка и внед-
рение новейших методов термомагнитной и термомеханической
обработки, неразрушающих методов контроля являются основой
развития прогрессивной технологии термической обработки,,
обусловленного семилетним планом развития промышленности
СССР.
Большую роль в прогрессивном развитии техники и усовер-
шенствовании производства играют массовое изобретательство-
и рационализация.
Работу рационализаторов и изобретателей на предприятии
возглавляет БРИЗ — бюро рационализации и изобретательства.
В цехах и отделах предприятий работают технические орга-
низаторы по рационализации или инженеры БРИЗ, которые яв-
ляются связующим звеном между рационализаторами и руко-
водителями цехов. Инженеры БРИЗ принимают рационализа-
торские предложения, регистрируют их, передают начальникам
цехов, следят за их внедрением и правильным подсчетом эконо-
мической эффективности. Решение о принятии или отклонении
каждого предложения администрация должна сообщать автору
в течение 10 дней со дня регистрации предложения.
После внедрения предложения в производство автору выпла-
чивается вознаграждение, размер которого зависит от суммы го-
довой экономии.
§ 6. СВЕДЕНИЯ ИЗ ТРУДОВОГО ЗАКОНОДАТЕЛЬСТВА
Советское трудовое законодательство устанавливает общие
требования в области охраны труда, которым должно удовлетво-
рять каждое промышленное предприятие.
Действующее законодательство по охране труда несовершен-
нолетних (до 18 лет) распространяется на всех подростков не-
зависимо от того, работают они или проходят производственное
обучение на предприятии.
Подростки до 18 лет не допускаются на тяжелые и вредные
работы.
276
Подростки от 16 до 18 лет работают шесть часов, а подрост-
ки от 15 до 16 лет — четыре часа.
Лина до 18 лет не допускаются к ночным и сверхурочным
работам. Оплата труда подростков от 15 до 18 лет производит-
ся как за полный рабочий день (7 часов). Продолжительность
очередного отпуска подростков от 15 до 18 лет один календар-
ный месяц, причем он предоставляется, как правило, в летнее
время.
Льготы предоставляются также молодежи, которая без отры-
ва от производства учится в вечерних и заочных учебных заве-
дениях.
Контрольные вопросы
1. Что такое организация производства?
2. Какое значение имеет производительность труда для увеличения вы-
пуска продукции?
3. Какая система оплаты труда рабочих применяется в термических це-
хах?
4. Что такое техническое нормирование и как оно осуществляется?
5. Из каких элементов состоит себестоимость продукции?
6. Какое значение имеет технический прогресс в промышленности?
Chipmaker.ru
Chipmaker.ru
ЛИТЕРАТУРА
Ассонов А. Д. Технология термической обработки деталей автомоби-
ля. Машгиз, 1958.
Болховитинов Н. Ф. Металловедение и термическая обработка.
Машгиз, 1961.
Винаров С. М. Авиационное металловедение. Оборонгиз, 1962.
Винников И. 3., Френкель М. И. Сверловщик. Профтехиздат,
1960.
Вязников Н. Ф. Термическая обработка стали. Металлургиздат, 1961.
Геллер Ю. А. Инструментальные стали. Металлургиздат, 1955.
Гуляев А. П. Термическая обработка стали. Машгиз, 1960.
Дубинин Н. П. и др. Технология металлов. Машгиз. 1958.
Захаров Б. П. Термист. Машгиз, 1961.
Каменичный И. С. Памятка по технике безопасности для термистов.
Машгиз, 1961.
Кащенко Г. А. Основы металловедения. Машгиз, 1957.
Китаев В. Е., Шляпинтох Л. С. Электротехника. Профтехиздат,
1961.
Колобов И. Ф. Термическая обработка алюминиевых сплавов. Метал-
лургиздат, 1961.
Краткий справочник металлурга под редакцией Андриановой В. П. Ме-
таллургиздат, 1960.
Левинсон Л. Е. Основы технической механики. Трудрезервиздат, 1955
Масленников Ф. М. Лабораторный практикум по металловедению.
Машгиз, 1961.
Рустем С. Л. Оборудование и проектирование термических цехов.
Машгиз, 1962.
Соколов К. Н. Механизация и автоматизация в термических цехах.
Машгиз, 1962.
Солодихин А. Г. Современные конструкции термических печей и ав-
томатизация процессов термической обработки. ВНИТИ, 1960.
Ш м ы к о в А. А. Справочник термиста. Машгиз, 1960.
Цейтлин Б. В. Безопасность труда при процессах термической обра-
ботки металлов. Профиздат, 1955.