ЕХНОЛОГИЯ ТЕРМИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКИ ДЕТАЛЕЙ МАШИН
Л-Д. АССОНО 3
к
ТЕХНОЛОГИЯ ТЕРМИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКИ ДЕТАЛЕЙ МАШИН
А. Д. ACCOHOB

ТЕХНОЛОГИЯ ТЕРМИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКИ ДЕТАЛЕЙ МАШИН
-----«—
ИЗДАТЕЛЬСТВО «МАШИНОСТРОЕНИЕ» Москва 1969
УДК 621 78
А с с о н о в А. Д., «Технология термической обработки деталей машин». М., «Машиностроение», 1969.
В книге рассмотрены технологические процессы всех видов термической обработки (отжиг, нормализация, закалка, цианироание, цементация и т. д.)„ оборудование, способы нагрева (пламенный, вакуумный, индукционный и др.). Даны основные сведения об особенностях термической обработки валов, шестерен, пружин, плоских деталей и т. д. Освещены вопросы организации производственных участков и технико-экономический показателей. В книге учтены новейшие достижения передовых заводов отечественного и зарубежного машиностроения.
Книга предназначена для инженерно-технических-работников машиностроительных заводов.
Табл. 88, илл. 120, библ. 28 назв.
Рецензент д-р техн, наук проф. И. В. Паисов Редактор д-р техн, наук проф. Ю. М. Лахтин
256-69
3-12-5
ВВЕДЕНИЕ
Многочисленные исследования, проведенные за последние годы в различных областях металловедения, послужили основанием для коренного изменения технологических процессов термической и химико-термической обработки стальных деталей машин.
Некоторые технологические процессы и марки стали, считавшиеся прогрессивными, устарели; возникли новые процессы и марки стали, удовлетворяющие современным требованиям в отношении прочности и надежности в работе деталей машин. В ряде случаев видоизменились термические цехи и интенсивно стал развиваться комплексный технологический процесс; область применения термической и химико-термической обработки расширилась.
В настоящее время нельзя только по химическому составу и механическим свойствам судить о пригодности стали для изготовления определенных изделий, так как надлежащая прокали-ваемость, зернистость, удельная плотность и усталостная прочность, а иногда и вибрационная вязкость при одном и том же анализе предопределяют надежность работы этих изделий при эксплуатации машин. Кроме того, новые требования возникли в связи с совершенствованием технологии обработки деталей машин.
В соответствии с этими требованиями изменили спесифика-цию отечественных конструкционных марок стали, которую пополнили хромомарганцовотитановыми, молибденотитановыми и углеродистыми сталями так называемой «пониженной прокаливаемое™» и бористыми сталями, а также американскую спеси-фикацию марок стали SAE, которая была создана в 1912 г. обществом американских инженеров автомобильной промышленности. В спесификации SAE отсутствуют стали с большим содержанием никеля (никелевые и хромоникелевые групп 2000 и 3000) и вместо них включена группа 8000 в количестве 19 марок с содержанием никеля 0,4—0,7%. Большое применение за рубежом находят хромомарганцовомолибденовые стали группы 4000.
Созданы процессы вакуумирования, электрошлакового переплава и рафинирования стали под синтетическим шлаком. Изде-.3
лия из такой стали обладают меньшей анизотропностью свойств и большей усталостной прочностью.
Изучение тонкой структуры стали привело к созданию новых технологических процессов термической обработки: низкой (НТМО) и высокой (ВТМО) температурной термомеханической обработки, термомагиитной обработки, термической обработки штамповок с использованием остающегося тепла после ковки, газовой цементации при индукционном нагреве, карбонитрирования, закалки при нагреве т. в. ч. деталей из стали пониженной прокаливаемости и др.
В соответствии с решениями XXIII съезда КПСС самой важной задачей в области технологии термической и химико-термической обработки является повышение качества деталей, снижение их веса и стоимости, повышение их долговечности в работе. Для этого необходимо при разработке технологии термической и химико-термической обработки стальных деталей использовать результаты исследований'превращений, происходящих в структуре стали при нагреве и охлаждении, а также при насыщении ее с поверхности различными элементами и применять, новейшее оборудование, а также новые марки стали.
В книге сделана попытка обобщить некоторый опыт отечественной и зарубежной промышленности.
ГЛАВА /
КОНСТРУКЦИОННАЯ СТАЛЬ
В машиностроении до 20-х годов настоящего столетия применялась преимущественно углеродистая сталь. С развитием автомобильной и тракторной промышленности в начале 20-х годов начинается выпуск легированной стали, главным образом хромоникелевой. Стали марок 12Х2Н4А, 18Х2Н4ВА сыграли решающую роль в машиностроении в отношении обеспечения высокой прочности и надежности работы деталей различных машин.
С появлением в конце. 30-х годов тенденции поставки стали по прокаливаемое™, стали содержащие никель, постепенно заменили малолегированными безникелевыми сталями с добавками титана, молибдена, ванадия, а также редкоземельных элементов (бора, лантана, церия, циркония, ниобия и др.).
В отечественной промышленности были разработаны низкоуглеродистые стали, легированные хромом, марганцем и титаном — 18ХГТ, 25ХГТ и среднеуглеродистые ЗОХГТ и 40ХГТ; легированные хромом, марганцем и бором — 20ХГР, 20ХГНР и др. Стали, содержащие титан, по сравнению с содержащими никель оказались более технологичными. Они не склонны к перегреву, хорошо обрабатываются резанием и имеют минимальную склонность к деформации при термической обработке. Стоимость их значительно ниже сталей, содержащих никель.
Сталь может быть получена двойным или одинарным вакуумированием или электрошлаковым переплавом, электродуговой выплавкой (основная и кислая плавка), плавкой в индукционной печи, в мартеновской основной и кислой печи, в бессемеровской печи с кислородной продувкой (кислородно-конверторный способ) или с продувкой воздухом, в тигле и рафинированием синтетическим шлаком.
В зависимости от способа производства при одном и том же содержании химических элементов (кроме серы и фосфора) сталь обладает различными физическими и механическими свойствами. Так, например, предел выносливости, контактная прочность, пластичность мартеновской вакуумированной в ковше стали значительно выше, чем обычной мартеновской стали- того
5
же состава. Детали, изготовленные из вакуумированной стали, работают дольше, чем детали из обычной стали в одинаковых условиях, вследствие отсутствия загрязнений шлаками и газовых включений, что влияет на повышение выносливости стали.
Условия охлаждения стали в слитке предопределяют процесс кристаллизации, а это сказывается на качестве стали. Вакуумированная дважды и разлитая под аргоном сталь обладает максимальным пределом выносливости в сравнении со сталями, полученными другими способами. Высокими свойствами обладает сталь, выплавленная электроннолучевым способом, но этот способ еще не получил распространения на производстве.
В машиностроении применяется преимущественно мартеновская сталь, обладающая рядом недостатков, снижающих ее прочностные свойства, по сравнению со сталями, полученными вакуумированием, рафинированием синтетическим шлаком и электро-шлаковым переплавом? Одной из причин этого является анизотропность пластических свойств вдоль и поперек прокатки вследствие загрязнения шлаками и наличия газовых и сернистых включений.
СТАЛЬ, РАФИНИРОВАННАЯ СИНТЕТИЧЕСКИМ ШЛАКОМ
Применение синтетического шлака, состоящего в основном из 53—59% СаО, 43—45% А12О3 и 5—6% МпО, для рафинирования стали, выплавленной в мартеновской или электрической печи или в конверторе, позволяет повысить ее качество. При этом рафинированная сталь получается более чистой, чем обычная мартеновская сталь: содержание серы 0,005—0,009% против 0,035—0,045% в обычной стали, неметаллических включений 0,0036—0,0076% против 0,016—0,018% и кислорода максимум 0,004% против 0,006%. По содержанию водорода и азота рафинированная сталь не отличается от обычной мартеновской.
Сталь, рафинированная синтетическим шлаком, отличается от обычной мартеновской стали и выплавленной в электрической печи меньшей анизотропностью механических свойств, например анизотропность энергии удара рафинированной стали марки 40ХНМА [12] в два раза меньше анизотропности обычной мартеновской стали.
Коэффициент, анизотропности рафинированной kp и мартеновской обычной kM стали:
-4,
расположе-расположе-
нием волокон.
k = _^=;2!± = 2 и kM = -^= — ан п	ан п	12,4
где анпр — ударная вязкость образца с продольным нием волокон;
анп— ударная вязкость образца с поперечным
6
Если у обычной стали 40ХНМА отношение сужения поперечных образцов к продольным равно 0,66, то для рафинированной стали — 0,86.
Уменьшение анизотропности относительного удлинения, относительного сужения и ударной вязкости иллюстрируется цифрами, приведенными в табл. 1.
Таблица 1
Уменьшение анизотропности стали, рафинированной синтетическим шлаком
Таблица 2
Чувствительность стали 40ХНМА к надрезу
Марка стали	Способ выплавки стали	Анизотропность		
		Удлинение	Сужение	Ударная вязкость
12Х2Н4А	МСШ	0,73	0,73	0,53
	МОБ	0,60	0,54	0,42
зохгт	МСШ	0,48	0,32	0,21
	МОБ	0,39	0,19	0,11
40Х	МСШ	0,70	0,45	0,62
	МОБ	0,25	0,18	0,20
Обозначение:			МСШ —	мар-
теновская сталь,		обработанная синте-		
тическим шлаком; МОБ—мартеновская обычная стаЛь.				
Температура испытания в °C	Предел прочности при растяжении в кГ!ммг			
	Обычная плавка		Рафинированная плавка	
	продольные образцы	поперечные образцы	продольные образцы	поперечные образцы
—20 —70 —196	88 53 14	41 42 8	107 107 22	49 44 9
Чувствительность к надрезу рафинированной стали ниже, чем обычной (табл. 2).
Сравнение ударной вязкости рафинированной стали и обычной стали, выплавленной в электрической печи при температурах ниже 0°, подтверждает преимущества рафинированной мартеновской стали (табл.3).
Таблица 3
Ударная вязкость поперечных образцов стали 40ХНМА при температурах ниже 0°
Сталь	Ударная вязкость ан в кГм]см* при температуре в °C					
	— 196	— 100	—70	-40	—20	+20
Мартеновская рафинированная . .	1	3,2	5	6,5	6,5	5,8
Выплавленная в электрической печи	1	2,8	3	3,5	4,0	4,0
7
Приведенные данные, полученные при испытании стандартных образцов, показывают превосходство мартеновской стали, рафинированной синтетическим шлаком, по сравнению с обычной сталью, выплавленной в электрической печи.
Сталь, рафинированная синтетическим шлаком, обладает большей выносливостью при циклических нагрузках.
При исследовании многих плавок стали 25ХГМ, рафинированной синтетическим шлаком, было установлено, что указанная сталь по сравнению с обычной имеет некоторые преимущества (табл. 4).
Таблица 4
Механические свойства стали марки 25ХГМ рафинированной и обычной плавки
Способ выплавки стали	°в в кГ!мм*	as в кГ.мм2	6 В %	Ф В %	tvnlwjx а Я D	Расположение волокон в образцах
Рафинированная . . .	159—173	129—160	10—13	53—65	8—11	Продольное
Обычная 		163—175	130—155	10—16	47—62	7-9	»
Рафинированная . . .	152—170	126—140	16-17	30—46	4,5—3	Поперечное
Обычная 		155—lf}5	132—140	7—8,5	5—10	3,3— 2,0	»
Сопоставление данных табл. 4 показывает, что:
1) статическая прочность образцов с поперечным и продольным расположением волокна стали рафинированной и обычной плавки одинакова;
2) пластичность и ударная вязкость образцов с продольным расположением волокон стали рафинированной и обычной плавки одинаковы, а у образцов с поперечным расположением волокон рафинированной стали значительно выше, чем у обычной.
Испытание образцов, вырезанных в вертикальном и горизонтальном направлениях из штамповок различных шестерен, изготовленных из рафинированной синтетическим шлаком стали 25ХГМ, показало, что статическая прочность и пластичность, а также ударная вязкость равноценны показателям этих же свойств образцов, вырезанных из штанг в долевом направлении (табл.5).
Из рассмотрения данных этой таблицы следует, что в образцах из штамповок механические свойства сталей близки к свойствам продольных образцов из штанги вследствие изменения направления волокон стали. Так как размещение волокон зависит от конфигурации штамповок, то при решении вопроса о применении рафинированной стали не следует ограничиваться только данными о механических свойствах стали, но следует проводить стендовые испытания для выявления служебных свойств стали, 8
Таблица 5
Образцы	Сталь 25ХГМ рафинированная					Сталь 25ХГМ обычная				
	* £ 0	* Л 0 V5 t>	0 60	0	5 к! 0	£ к 0	* * 0	0 «О	о4' 0 -А	3 0 at <3
Из штамповок горизонтальные Из штамповок вертикальные . . Из штанги продольные .... Из штанги поперечные ....	164 165 160 155	133 136 131 125	12 12 16 7	50 54 58 14	5,0 8,5 6,5 3,6	163 160 163 158	143 143 140 135	9 9 10 8	59 53 58 16	5,8 5,0 7,3 2,0
поскольку физическое состояние стали обеспечивает при одинаковых механических свойствах более длительную работоспособность деталей машин.
Применение стали, рафинированной синтетическим шлаком, не требует каких-либо изменений'в технологии холодной и горячей обработки. Однако необходимо отметить, что в некоторых случаях было выявлено, что обрабатываемость такой стали хуже, чем обычной стали той же марки: скорость резания ниже, а расход инструмента выше норм. Например, при обработке рафинированной синтетическим шлаком стали 35Х скорость резания понизилась на 20—25%, а расход инструмента увеличился в 2— 3 раза. Это приписывалось низкому содержанию серы (0,006— 0,011%)- Однако исследование процессов механической обработки штамповок шестерен из рафинированной синтетическим шлаком стали 25ХГТ на автоматических линиях (также при низком содержании серы 0,005—0,009%) не подтвердило отмеченный факт. Штамповки шестерен обрабатывались по режиму, установленному для обычной стали 25ХГТ и при том же расходе инструмента. Не встретилось затруднений при обработке изделий из стали 40Х рафинированной синтетическим шлаком.
Вместе с тем были отмечены случаи плохой обрабатываемости на обычных станках-автоматах шестерен из рафинированной синтетическим шлаком стали 25ХГТ. Исследования показали, что в этих случаях структура штамповок шестерен была неудовлетворительной. Она состояла из троостосорбита вместо дифференцированного перлита и сорбита. Попытка привести структуру штамповок к обычной путем нормализации положительного результата не дала вследствие наличия в стали большого количества дисперсных алюминатов, являющихся центрами кристаллизации. Процесс выплавки стали в этом случае был дефектным.
9
Поэтому не следует причиной плохой обрабатываемости рафинированной стали считать только низкое содержание серы. Однако необходимо указать, что для улучшения обрабатываемости рафинированной стали должны быть применены специальные инструменты и предусмотрены стружколоматели в конструкции станков.
Использование стали, рафинированной синтетическим шлаком, позволит повысить долговечность работы деталей при эксплуатации машин в 2—3 раза, что, например, подтверждено изготовлением подшипников из стали ШХ15, рафинированной синтетическим шлаком.
СТАЛЬ, РАФИНИРОВАННАЯ ЭЛЕКТРОШЛАКОВЫМ ПЕРЕПЛАВОМ
При обработке стали синтетическим шлаком, несмотря на резкое снижение содержания серы и уменьшение количеств газовых и шлаковых включений, слитки получаются с дефектами кристаллизации. Сталь, облагороженная электрошлаковым переплавом, более однородна вследствие отсутствия грубой междендритной ликвации. При элгктрошлаковом переплаве сталь освобождается от серы вследствие применения основных шлаков и улетучивания серы при высокой температуре. Освобождение от фосфора осуществляется в процессе шлакования стали.
Сталь, полученная электрошлаковым переплавом, отличается плотностью и однородностью и отсутствием дефектов усадочного и ликвационного происхождения. Это состояние стали способствует получению высококачественных изделий с максимальной выносливостью. В такой стали отсутствуют строчечные скопления неметаллических включений, что оказывает положительное влияние на качество термической обработки в процессе цементации. В стали электрошлакового переплава оксидные и сульфидные включения присутствуют в весьма малых количествах. Это обеспечивает изотропность механических свойств продольных и поперечных образцов. Так, например, ударная вязкость рафинированной стали 18ХНВА более изотропна, чем у обычной (табл. 6) [18].
Стали, рафинированные электрошлаковым переплавом, применяют для изготовления прецизионных подшипников, для которых необходима сталь высокой плотности с минимальным содержанием неметаллических включений.
При больших удельных давлениях в процессе эксплуатации начинается разрушение поверхности подшипников вследствие пористости и шлаковых включений, выходящих на контактную поверхность. При шлифовании поверхности деталей эти дефекты обнаруживаются в виде черных точек. В этих местах и начинается разрушение вследствие питтинга.
10
Таблица 7
Таблица 6
Ударная вязкость стали Х18НВА, рафинированной электрошлаковым переплавом
Сталь	Расположение волокон в образцах	ан в кГм/смг
Обычная	Продольное	13,2
	Поперечное	4,3
Рафини-	Продольное	15,0
рованная	Поперечное	10,0
Марка стали	Обычная сталь		Сталь, рафинированная электрошлаковым переплавом	
	* л* 7* t> 0	Пористость в баллах	* О 0	Пористость в баллах
ШХ15СГ	57	1,0	78	0,5
ШХ15Г	64,5	0,5	79	0,5
ШХ15ГФ	59	2,0	83	0,5
ШХ20Г	66	0,5	82,5	0,5
Примечание. Твердость всех образцов HRC 61—6 2.
Сталь ШХ15, рафинированная электрошлаковым переплавом, отличается от обычной мартеновской большей контактной и усталостной прочностью, вследствие чего долговечность подшипников повышается более чем в 2—3 раза (табл. 7).
Данные таблицы показывают влияние чистоты стали, рафинированной электрошлаковым переплавом, на усталостную прочность. Усталостная прочность стали, рафинированной электрошлаковым переплавом, на 25—35% больше усталостной прочности обычной стали.
СТАЛЬ ПОНИЖЕННОЙ ПРОКАЛИВАЕМОСТИ
Углеродистые стали пониженной прокаливаемости характеризуются низким содержанием марганца (до 0,2%) и кремния (до 0,17%). Присутствие легирующих элементов, например хрома и никеля, допускается не более 0,15—0,25% каждого.
Эти стали применяют для изготовления деталей тонких: зубчатых колес среднего модуля, шпинделей, подшипниковых колец, и пр., требующих высокой твердости на поверхности и вязкой сердцевины, подвергаемых термической обработке при помощи индукционного нагрева. При индукционном нагреве сталь пониженной прокаливаемости в процессе последующего охлаждения закаливается в поверхностных слоях до максимальной твердости, определяемой содержанием углерода. В поверхностных слоях сталь имеет мартенситную структуру, а в переходных к сердцевине троостосорбитную.
Изделия из стали пониженной прокаливаемости обладают высокой усталостной и контактной прочностью. Обычная углеродистая сталь с тем же содержанием углерода, что и сталь no-
li
ниженной прокаливаемое™, при одинаковой глубине слоя и твердости обладает меньшей прочностью при изгибе, так как сталь пониженной прокаливаемое™ имеет' мелкозернистое строение (15 баллов).
В промышленности применяют сталь 55ПП, содержащую 0,55—0,63% С; 0,2% Мп, не более 0,17% Si, не более 0,15% Сг и не более 0,25% Ni. Раскисление стали производится с помощью алюминия и титана. Эта сталь отличается высокой критической скоростью закалки. Так, если сталь 45 имеет критическую скорость закалки около 400° С/сек, то сталь пониженной прокаливаемое™— около 2000° С/сек, что вызывает необходимость интенсивного охлаждения закаливаемых изделий. После закалки при индукционном нагреве сталь марки 55ПП имеет более высокий предел прочности при изгибе, чем цементуемая сталь марки 12Х2Н4А. Максимальный предел прочности при изгибе'цементуемой стали 12Х2Н4А равен 260 кГ/мм2, а у стали 55ПП он достигает 300 кГ1мм2 в закаленном состоянии.
При одинаковой твердости поверхности сталь 55ПП обладает большей ударной вязкостью, чем стали, содержащие никель. При твердости HRC 56—58 хромоникелевая сталь 20Х2Н4А в цементованном состоянии имеет ударную вязкость 4—5 кГм!см\ а сталь марки 55ПП при той же твердости имеет ударную вязкость 8—14 кГм!см2.
Износостойкость и контактная прочность поверхности цементованного слоя хромоникелевой стали марки 20Х2Н4А и поверхности закаленной стали 55ПП при равной твердости одинаковы.
СТАЛЬ ДЛЯ ДЕТАЛЕЙ, ПОДВЕРГАЮЩИХСЯ ВЫСОКОТЕМПЕРАТУРНОМУ НАГРЕВУ
Высокотемпературный нагрев позволяет облегчить штамповку, ускорить процессы многих видов термической и химико-термической обработки стали. В этом случае следует применять стали, устойчивые против перегрева при нагреве до 1100° С марок 18ХГТ и ЗОХГТ, а при нагреве выше 1100° С специальные стали 18ХГТЦ, ЗОХГТЦ с присадкой циркония.
Хромомарганцовотитановая сталь 18ХГТ имеет следующий химический состав: 0,18—0,24% С; 0,8—1,1% Мп; 0,17—0,37% Si; 1,0—1,3% Сг; 0,08—0,15% Ti, сера и фосфор не более 0,04% каждого. В состоянии поставки сталь характеризуется мелкозернистым строением 7—8-го балла стандартной шкалы аустенитного зерна. Механические свойства стали 18ХГТ среднего химического состава, закаленной при 875° С в масле и отпущенной при 200° С в течение часа: ов = 142 кГ!мм2, os = 115 кГ1мм2, 6 = = 12%, ф = 63%, ан = 12 кГм!см2. После высокотемпературного нагрева до 1100° Си закалки с отпуском при 200° С сталь 18ХГТ имеет следующие механические свойства: ов = 143 кГ!мм2, os = 12
= 127 кГ]мм2, 6 = 12%,	= 53% и ан = 9 кГм]см2. Ударную
вязкость этой стали можно повысить до 12 кГм1см2, если подвергнуть дополнительному отпуску при 200° С в течение 2 ч.
Сталь марки ЗОХГТ отличается от 18ХГТ тем, что имеет более высокое содержание углерода (0,28—0,32%). Механические свойства ее после закалки при нагреве до 850° С в масле и отпуска при 200° С в течение 1 ч: ов = 175 кГ1мм2, os = 150 кГ/мм2, 6 = 10%, гр = 45% и ап = 7 кГм!см2. Сталь мелкозернистая: в состоянии поставки зерно 7—8-го балла. После нагрева до 1100° С закалки с подстуживанием до 825° С и отпуска при 200° С в течение 1 ч она приобретает механические свойства: ав = = 160 кГ!см\ gs = 140 кГ/jwjw2, 6=11%, гр = 54%, и ан = = 9 кГм!см2.
Сопоставление механических свойств стали марок 18ХГТ и ЗОХГТ, полученных после закалки с весьма высоких температур с подстуживанием и отпуском, с механическими свойствами сталей после обычной термической обработки (закалка и отпуск) указывает на отсутствие влияния перегрева. Это объясняется гомогенизацией твердого раствора при весьма высокой температуре.
Для сохранения мелкозернистого строения при высоких температурах и длительном нагреве ц сталь марок 18ХГТ и ЗОХГТ вводят цирконий, который в большей степени, чем титан, препятствует росту аустенитных зерен при весьма высоких температурах. Цирконий вводят в количестве 0,10—0,20% (табл. 8).
Таблица 8
Механические свойства стали марок 18ХГТЦ и ЗОХГТЦ после нагрева под закалку до 1200° С, подстуживания до 800° С, охлаждения в масле и отпуска при 200° С в течение 1 ч
Марка стали	ов в кГ]мм*	а5 в кГ/мм*	8 в %	Ф в %	ан в кГм’см2
18ХГТЦ	145	13Э	12	54	9
ЗОХГТЦ	158	142	10	48	8
Приведенные механические свойства стали марок 18ХГТЦ и ЗОХГТЦ практически те же, что и у стали 18ХГТ и ЗОХГТ при нагреве до 1100° С (несмотря на нагрев на 100° С выше). Зона практически используемых температур находится для этих сталей в диапазоне 1100—1200° С. Однако даже нагрев до 1250° С не влияет на снижение их прочности потому, что цирконий препятствует распаду сернистых соединений в стали и сера не диффундирует на границы аустенитных зерен. Поэтому там не образуется легкоплавкой эвтектики железа с сернистым железом, охрупчивающей сталь (табл. 9).
13
Таблица 9
Прочность и пластичность сталрт марок 18ХГТЦ и ЗОХГТЦ, нагретый до 1250° С, подстуженной перед закалкой до 800° С и отпущенной при температуре 200° С
Марка стали	<jfl в кГ,мм2	<js в кГ/мм2	8 в %	Ф В %	ан в к Гм/см2
18ХГТЦ	143	132	10	52	8
ЗОХГТЦ	159	142	10	46	6,4
Ударную вязкость, как указывалось выше, можно повысить,, увеличив время отпуска при 200° С на 2 ч.
В порядке эксперимента с целью еще большего измельчения зерен стали и предотвращения распада сернистых соединений при более высоких температурах в сталь марки ЗОХГТ были введены цирконий и церий, а также бор для повышения прокаливаемости. Начало роста зерен аустенита у этой стали наблюдалось выше 1260° С, при этом механические свойства сохранились высокими при нагреве под закалку до 1300° С (табл. 10).
Влияние высокотемпературного нагрева на механические свойства стали ЗОХГТЦЦР
Таблица 10
Температура нагрева под закалку в °C	% в кГ мм2	as в кГ/мм2	Б в %	Ф в %	ан в кГм/см2
850 1300* ♦ Закали	158 163 :а с подстужива!	129 132 нием.до 800° С	12 10 и отпуском 200	50 48 •° С в течение 1	6 6,5 1 ч.
Применение стали, легированной цирконием и церием, позволяет интенсивнее использовать высокотемпературный нагрев заготовок для штамповки, что экономически выгодно, так как снижаются затраты на оборудование и улучшается состояние стали вследствие получения большей плотности.
МАРТЕНСИТОСТАРЕЮЩИЕ СТАЛИ
В последние годы находят применение высокопрочные мартенситостареющие стали (так называемые «Марэйджинг»). Состав некоторых сталей этого класса приведен в табл. 11.
14
Содержание никеля не должно быть больше 20%, а кобальта больше 10%; содержа-
ние углерода в этих сталях не должно превышать 0,03— 0,04%. В процессе старения при 500—550° С после окончательной механической обработки в стали образуются интер-металлидные фазы. Содержание углерода выше 0,04% способствует образованию карбидов. Это повышает прочность, но снижает вязкость стали.
Таблица 11
Химический состав мартенситостареющих сталей (в %)
Ni	Со	Мо	Ti	Al
17—19	8—9	3,0—	0,15—	0,05—
		3,5	0,25	0,15
8—10	3—5	0,5	—	0,10
5—10	—.	0,75	—	0,7
18	0,5	5,2	0,8	0,15
После старения стали с 18% Ni и 9% Со предел прочности достигает 240 кГ!мм2 при удлинении 12% и относительном сужении 55%. Содержание никеля может быть снижено до 5%.
Необходимо отметить роль различных элементов, вводимых
в эти стали.
Старение железо-никелевых сплавов возможно при условии, что они легированы одним или несколькими из следующих эле-. ментов: титан, бериллий, алюминий, тантал, ниобий, вольфрам, марганец, молибден, кремний. Эти элементы различно влияют на упрочнение при старении. Наибольшее влияние на упрочнение оказывают никель, титан, бериллий, а наименьшее — кремний и молибден. Некоторые элементы (хром, кобальт) не оказывают непосредственно влияния на старение. Однако хром необходим, когда присутствует титан, а кобальт, когда присутствует молибден. Возможность получения высокой прочности и пластичности в результате старения мартенситостареющих сталей при отсутствии практически деформации сложных изделий позволяет рекомендовать эти стали как новый материал для изделий, работающих в весьма напряженных условиях; при этом следует учитывать, что эти стали обладают высокой прокаливаемостью в сечениях до 350 мм.
Стали с содержанием никеля около 18% после старения об-. ладают малой чувствительностью к воздействию минусовых температур. Например, сталь с 18% никеля и 0,5% ниобия без кобальта и молибдена сохраняет при минус 100° С ударную вязкость около 5 кГм]см2.
Группа мартенситостареющих сталей непрерывно пополняется новыми марками и тщательно изучается; в частности, изучаются стали с содержанием бериллия.
Технология термической обработки изделий из этих сталей весьма проста: закалка штамповок после нагрева до 1050— 1100° С в воде или на воздухе и старение деталей при 450— 500° С с охлаждением на воздухе.
15.
КИСЛОРОДНО-КОНВЕРТОРНАЯ СТАЛЬ
Выплавкой стали в конверторных установках с продувкой кислородом получают качественные углеродистые и легированные стали, стоимость которых ниже мартеновской стали. Конверторная сталь по содержанию серы, фосфора, азота, кислорода и водорода не отличается от кислой мартеновской стали.
При применении чистого кислорода (99,98%) для продувки конвертора сталь получается чище мартеновской по содержанию азота.
Механические свойства кислой мартеновской стали и конверторной идентичны при одном и том же химическом составе. Ударная вязкость у конверторной стали выше, чем у мартеновской.
Эти стали перспективны, так как они дешевле мартеновской стали и по качеству могут быть выше.
СТАЛИ —ЗАМЕНИТЕЛИ СТАЛЕЙ, СОДЕРЖАЩИХ НИКЕЛЬ I
Машиностроительная промышленность в течение длительного времени широко применяет стали, содержащие никель. Наибольшее применение в автомобильной промышленности нашли стали марок 12Х2Н4А, 40ХНА, 12ХНЗ.
Эти стали применяют как для изготовления цементуемых, так и улучшаемых деталей. В цементуемых сталях содержание углерода первоначально было ограничено 0,17% (сталь 3312) из опасения получения хрупкой сердцевины в небольших сечениях изделий. В улучшаемых сталях содержание углерода принято в пределах 0,35— 0,55%.
Увеличение содержания никеля с 1,5 до 3,75% при одном и том же содержании других элементов не оказывает влияния на изменение прочностных свойств стали и только увели
чение содержание никеля до 5,25% повышает предел прочности на 30% (табл. 12).
Стали, содержащие никель, менее технологичны, чем стали, не содержащие никель (остальные легирующие элементы в тех же количествах). Примером влияния никеля на технологичность могут служить стали ЗОХГТ и ЗОХГНТ (табл. 13), подвергавшиеся одинаковой термической обработке (газовая цементация, закалка и^охлуск). Существенной разницы в свойствах этих сталей 16 А.
Таблица 12
Механические свойства сердцевины образцов цементуемой стали (0,17% С)
Содержание никеля	* 5 Vi О 0	* О 0	8 в %	Ф в %
1,5	45	70	14	55
3,75	50	75	15	60
5,25	55	90	15	60
Таблица 13
Механические свойства стали ЗОХГТ и ЗОХГНТ (образцы вырезаны из штанги вдоль направления волокон) после закалки и отпуска
Марка стали	<js в кГ/мм*	(5в в кГ/мм*	5 В %	Ф В %	ан в кГм/см*
ЗОХГТ	148	166	11,7	51	6,75
ЗОХГНТ	148	173	13,3	52	7,25
не наблюдалось. Осложнение в технологии получилось вследствие того, что штамповки из стали ЗОХГНТ после нормализации пришлось отпускать при 700° С для улучшения обрабатываемости. Однако обрабатываемость стали ЗОХГНТ и после отпуска была хуже, чем ЗОХГТ.
Обрабатываемость стали ЗОХГТ и ЗОХГНТ:
Скорость резания в м/мин .40	100 200	400
30ХГНТ/30ХГТ ......... 0,97 0,9 0,87 0,82
Сталь ЗОХГНТ обрабатывается хуже стали ЗОХГТ; при этом расход инструмента для нее в 2—3 раза больше. Чистота поверхности стали ЗОХГНТ получается значительно хуже.
При стендовых испытаниях прочность и износостойкость шестерен из этих сталей оказалась одинаковой.
Недостатком, сталей, содержащих никель, является склонность их к образованию питтинга, а также карбидной сетки в цементованном слое, что способствует преждевременному разрушению упрочненного слоя. Присутствие хрома в хромоникелевых сталях вследствие его сродства к углероду вызывает образование сложных карбидов, весьма трудно переходящих в твердый раствор при нагреве, что ухудшает закаливаемость стали. Поэтому для закалки необходимо повышать температуру, что приводит к увеличению содержания остаточного аустенита в поверхностном цементованном слое и к росту зерен аустенита, а это повышает склонность стали к деформации. Необходимо отметить, что при некотором сочетании хрома, никеля и углерода сталь закаливается на воздухе (18ХНВА), что используется для снижения деформации при изготовлении шестерен.
Хромоникелевые стали устойчивы против отпуска, поэтому обычно отпуск шестерен из хромоникелевых сталей увеличивают в 1,5—2 раза по сравнению с временем отпуска шестерен из стали без никеля.
В настоящее время никелевые и хромоникелевые стали применяемые для изготовления деталей, работающих в условиях севе-
17
2 Заказ 849
*1 Тшвшч. С*- чь1<*иа |
ра, заменяют безникелевыми сталями, имеющими низкий порог хладноломкости.
В качестве полноценного заменителя конструкционных хромоникелевых марок стали за рубежом применяют хромомарганце-вую сталь марки 20МпСг5 (ФРГ), содержащую: 0,17—0,22% С; 1,1 —1,4% Мп; 1,0—1,3% Сг (остальные элементы в обычной норме).
Хромомарганцовую сталь, обладающую хорошей закаливаемостью и прокаливаемостью, применяют в автомобильной, тракторной и станкостроительной промышленности. Например, сталь 20МпСг5 применяется для изготовления цементуемых шестерен коробок скоростей, валов и пр.
Влияние содержания углерода на прочность сердцевины в цементуемых хромомарганцовистых сталях иллюстрируется данными, приведенными в табл. 14. При содержании 1,1—1,4% марганца, 1,0—1,3% хрома сталь обладает вязкостью и прочностью, равноценной хромоникелевой стали марки 12Х2Н4А.
Таблица 14
Влияние содержания углерода на прочность сердцевины хромомарганцовистой стали 20МпСг5
(образцы ложноцементованные, закаленные и отпущенные)
Содержание углерода* в %	Диаметр образца в мм	 °s в кГ'мм2	°в в кГ]мм2	5 в %	Ф В %	ан в кГмсм2
0.15	30	75	100	12	41	10,5
0,22	30	117	150	7	33	7,0
* Содержание остальных элементов одинаково в исследованных плавках.						
Свойство хромоникелевых сталей обеспечивать хорошую про-каливаемость в сечениях больше 60 мм может быть получено и при применении хромомарганцовистых сталей, если ввести в них 0,15—0,25% молибдена. Введение в хромомарганцовистую сталь, кроме молибдена, титана обеспечивает повышение пластичности.
Хромомарганцовотитаномолибденовые стали применяемых в СССР марок (18ХГМТ, 25ХГМТ, ЗОХГМТ, 40ХГМТ) заменяют по прочностным и служебным свойствам хромоникелевые стали марок 12Х2Н4А, 12ХНЗ, 20Х2Н4А, 40ХНМА при одинаковом сечении цементуемых и улучшаемых деталей автомобилей, тракторов и станков. Сравнительные механические свойства этих марок стали приведены в табл. 15.
Регулируя содержание углерода в цементуемых сталях и глубину цементованного слоя, а также заменяя процесс газовой цементации процессом карбонитрирования, достигают повышения долговечности работы ответственных деталей машин при упроще-18
Таблица 15
Механические свойства некоторых конструкционных марок стали, закаленных при Ас г 50° С и отпущенных при 200° С
Стали	Марка стали	°е в к Г/мм2	в кГ/мм2	5 в о/0	Ф В %	ан в кГ/мм2
Содержат	12ХНЗА	95	70	11	55	9
никель	12Х2Н4А	по	85	10	50	9
	20Х2Н4А	120	ПО	9	45	8
	40ХНМА	100	85	12	35	10
Не содержат	18ХГТ	ПО	95	10	50	9
никель	ЗОХГТ	150	110	10	45	6
	25ХГТМ	120	ПО	10	50	10
	40ХГТ	100	80	10	50	9
Примечание. 1. Закалке подвергались образцы Гагарина.						
2. Цифровые данные минимальные, обусловленные ГОСТом и ТУ.						
нии технологии, улучшении обрабатываемости деталей и снижении их себестоимости. Молибден и титан больше, чем другие элементы, оказывают влияние на долговечность и надежность работы деталей современных машин. Титан действует как деазо-тизатор и раскислитель в комплексе с алюминием и способствует получению мелкозернистого строения стали. Молибден уменьшает чувствительность стали к перегреву. Почти не влияя на температуру мартенситного превращения, молибден не повышает количество остаточного аустенита в закаленной стали. При легировании хромомарганцевой стали молибденом повышается ее устойчивость против отпуска и уменьшается склонность к отпускной хрупкости второго рода.
УНИФИКАЦИЯ МАРОК СТАЛИ
Существующее многообразие марок стали, применяемых в машиностроении, не является случайностью. При развитии отечественной машиностроительной промышленности ряд заводов применял свои марки стали. В настоящее время каждый крупный завод имеет свою спесификацию, приспособленную к существующим технологическим процессам. Это создает осложнение в совершенствовании технологии для исследовательских и проектнотехнологических институтов, а также для металлургической промышленности. По традиции многие машиностроительные заводы широко используют стали, содержащие никель. Ряд иностранных фирм автомобильной промышленности сокращает потребление 2*	•	19
сталей, содержащих никель, применяя лишь стали, содержащие 0,4—0,7% никеля.
Переход на безникелевые стали должен основываться на прокаливаемости и зернистости стали. Прокаливаемость в рабочих местах детали должна быть обеспечена в соответствии с техническими условиями.
Этот принцип был принят на заводах автомобильной промышленности при переходе со стали марок 12Х2Н4А, 20Х2Н4А на стали 25ХГТ и 25ХГМТ для изготовления шестерен.
Практика контроля стали по прокаливаемости и зернистости показывает, что некоторые плавки, отвечающие по химическому составу и прочности техническим условиям, не могут быть использованы для изготовления определенных изделий, поскольку прокаливаемость их не соответствует техническим условиям, так как в рабочих сечениях изделий структура содержит включения феррита, а должна она состоять из троостомартенсита и после отпуска из троостосорбита или сорбита.
На основании опыта передовых заводов автомобильной и тракторной промышленности следует включать в технические условия требования на селектирование плавок стали по углероду, а также и по другим элементам, повышающим прокаливаемость (например, по молибдену).
Таблица 16
Унифицированная спесификация конструкционных марок стали
Марка стали	Применение
ЗОТ, 08КП, 10, 20 10, 20 35, 45 40Х, 40Р 40ГМ, 40ХГРТ, 40ХГМА 18ХГТ, 25ХГТ, ЗОХГТ, 25ХГТМ, 20ХГРТ, ЗОХГТЦ 50ХГФА, 50ХФА, 65Г 55ПП, 45РП, Уб, 45 Х18Н25СГ, 1Х18Н9Т, Х9С2	Для деталей, штампуемых из листа или ленты Для деталей, не несущих силовых нагрузок (шайбы, прокладки, винты) Для деталей диаметром до 20 мм, улучшаемых и испытывающих силовые нагрузки (пальцы, рычаги, винты, гайки, болты и пр.) Для деталей диаметром более 20 мм, улучшаемых и испытывающих силовые нагрузки Для деталей сечением до 300 мм, подвергающихся улучшению Для деталей, подвергающихся поверхностному химико-термическому упрочнению Для рессорных листов и пружин Для деталей, подвергающихся закалке при нагреве т. в. ч. Для деталей, работающих в специфических условиях при высокой температуре, в сильной окислительной среде (для шарикоподшипников, выхлопных клапанов и пр.)
20
На основании опыта отечественных автомобильных и тракторных заводов можно рекомендовать унифицированную спесифи-кацию конструкционных сталей (табл. 16) которая может быть использована при изготовлении деталей станков, сельскохозяйственных и транспортных машин различного назначения.
Для изготовления деталей, подвергающихся химико-термической обработке, можно применять стали при содержании углерода до 0,40% и зернистости 7—8-го балла.
Хром, марганец, титан, молибден, бор должны быть основными легирующими элементами конструкционных марок стали, применяемых в машиностроении.
Цирконий и церий следует вводить в сталь при изготовлении из нее деталей, подвергающихся высокотемпературному нагреву.
ПРОКАЛИВАЕМОСТЬ СТАЛИ
Прокаливаемость стали является одной из наиболее важных характеристик, влияющих на надежность работы деталей. Она определяется глубиной закаленной зоны по стандартному образцу, который согласно ГОСТу 5657—51 должен иметь длину 100 и диаметр 25 мм. Сквозная прокаливаемость стандартных образцов получается для различных* сталей при различных условиях охлаждения.
Для практических условий оценки прокаливаемое™ пользуются критическим диаметром, т. е. диаметром образца, при котором в центре получается мартенситная структура (95% мартенсита и 5% троостита). Каждой закалочной среде соответствует свой критический диаметр.
Практически прокаливаемость определяется по методу торцовой закалки стандартного образца.
Сталь, не получившая сквозной закалки в рабочем сечении, имеет в сердцевине детали феррит. В такой стали после высокотемпературного отпуска в структуре близ поверхности будет зернистый сорбит, а в центральной части — пластинчатые структуры и феррит. Сталь, получившая полную закалку, имеет по всему сечению после высокотемпературного отпуска структуру зернистого сорбита.
Предел прочное™ у прокалившейся и не прокалившейся стали одинаков, но предел текучести и пропорциональности у стали, получившей полную закалку, выше, чем у непрокалившейся.
Как правило, повышение температуры нагрева стали для закалки повышает прокаливаемость в связи с ростом аустенитного зерна, но в сталях, легированных карбидообразующими элементами, это не всегда наблюдается. Исследованию этого вопроса была посвящена работа Розе и Штрассера [28].
На рис. 1 изображены диаграммы прокаливаемое™ двух марок стали марганцовованадие^ой и хромистой. Первая содержит
21
устойчивые против распада при высоких температурах карбиды, вторая не содержит. Обе стали подвергали аустенизации при 850 и 1050° С.
Прокаливаемость первой стали при повышении температуры не увеличилась, судя по твердости, измеренной на расстоянии 30 мм от торца образца.
Исследования Розэ и Штрассера показали, что из 79 плавок
цементуемых и улучшаемых марок стали после аустенизации при 1050°С у 57% прокаливаемость повысилась, а у 43% не изменилась по сравнению с^прокаливаемостью, которая получалась в
Рис. 1. Диаграмма прокаливаемости мар-ганцево-ванадиевой и хромистой сталей
процессе аустенизации при 850° С. Причиной этого было то, что в сталях, у которых не повысилась прокаливаемость, не происходило роста зерен аустенита.
Повышение температуры аустенизации углеродистых сталей до Ас, + + 50° персцводит сталь полностью в аустенитное состояние. Дальнейшее повышение температуры приводит к росту зерен и гомогенизации твердого раствора.
В легированной стали, не содержащей теплоустойчивых карбидов, со
стояние гомогенизации наблюдается при более низкой температуре, чем у стали, содержащей теплоустойчивые карбиды.
В стали, легированной элементами, образующими теплоустойчивые карбиды, при высокой температуре имеются две фазы — аустенит и карбиды. Для таких сталей имеет большое значение
для прокаливаемости, кроме температуры, и время выдержки при ней, так как вследствие растворения карбидов меняется состав твердого раствора.
На рис. 2, а, б изображены термокинетические диаграммы изотермического превращения аустенита в хромомолибденовой стали. Аустенизация этой стали производилась при 850 и при 1050° С. Повышение на 200° С температуры аустенизации отодвинуло вправо начало и конец распада аустенита в зоне перлитного превращения. Это повлекло за собой уменьшение критической скорости закалки, а следовательно, и увеличение прокаливае
мости.
22
При интенсивном растворении карбидов повышается устойчивость переохлажденного аустенита как в перлитной области, так
Рис. 2. Термокинетические диаграммы хромомолибденовой стали
и в промежуточной. Это иллюстрируется термокинетическими диаграммами стали 42MV7 и 42Сг4 (рис. 3 и 4).
Для суждения о прокаливаемости стали строят так называемые полосы прокаливаемости?На рис. 5—9 изображены полосы
23
О)
б)
Рис. 3. Термокинетическая диаграмма стали 42MnV7: а — аустенизация при 870° С; б — аустенизация при 1050° С
24
Рис. 4. Термокинетическая диаграмма стали 42Сг4: а — аустенизация при 840° С; б — при 1050° С
25
РйсГЪ. Полоса про'каливаемо-сти стали 40Х
Скорость охлаждения при700°С,град/сек
Расстояние от охлаждаемого торца
Рис. 6. Полоса прокаливаемости стали 40ХГМ

Расстояние от охлаждаемого торца
Рис. 7. Полоса прокаливаемости стали 18ХГТ
^Скорость охлаждения при 700°С,град/сек . 220 48 21 11 6 4,5
Рис. 8. Полоса прокаливаемости стали 25ХГМ
Расстояние от охлаждаемого торца
Рис. 9. Полоса прокаливаемости стали 12Х2Н4А
Рис. 10. Диаграмма для определения критического диаметра: / — вода; 2 — масло
26
прокаливаемое™ марок стали 40Х, 40ХГМ, 18ХГТ, 25ХГМ, 12Х2Н4А.
С помощью диаграммы, изображенной на рис. 10, можно при использовании кривых прокаливаемости определить максимальные и минимальные диаметры сечений, в пределах которых достигается сквозная прокаливаемость в воде и масле.
Предположим, что необходимо выяснить возможность изготовления детали, имеющей максимальный диаметр сечения в цилиндрической части 40 мм, у которой в сердцевине была бы твердость HRC 40. По диаграмме (см. рис. 10) устанавливаем, на каком расстоянии от торца стандартного образца для данного диаметра сердцевина будет иметь мартенситную структуру при закалке в воде и в масле. Если необходимо закалку производить в масле (во избежание образования трещин), устанавливаем, что для диаметра 40 мм эквивалентное расстояние по образцу от торца будет 21 мм. По диаграммам прокаливаемости выбираем марку стали, у которой на расстоянии 21 мм от торца образца в зоне прокаливаемости твердость HRC 40. Так как сталь при одном и том же химическом составе имеет различную прокаливаемость, необходимо каждую плавку при приемке проверять по прокаливаемости. Исследованиями установлено также, что если испытывать образцы, вырезанные из разных мест по сечению штанги, то степень прокаливаемости таких образцов будет различной. Поэтому в ответственных случаях определение прокаливаемости производят на образцах, полученных путем прокатки штанг на размер стандартного образца с припуском на обработку поверхности, что стабилизирует плотность стали, а это, как показывает опыт, позволяет более точно определить прокаливаемость.
На прокаливаемость стали в стандартном образце влияет много факторов: химический состав, величина зерна аустенита, температура закалки, скорость охлаждения, охлаждающая среда, плотность металла. Поэтому необходимо тщательно соблюдать все условия для получения достоверных результатов.
Прокаливаемость в большой степени зависит от количества легирующих элементов в стали. Такие элементы, как никель, вольфрам, медь, существенно влияют на прокаливаемость. Кремний повышает прокаливаемость при содержании до 2%. Молибден, хром, марганец резко повышают прокаливаемость, если находятся в твердом растворе, а не в карбидах.
Единственным элементом, не повышающим прокаливаемости стали, является кобальт.
Необходимо отметить, что углерод влияет на прокаливаемость стали в присутствии хрома и молибдена в весьма сильной степени. Так, сталь 25ХГМ имеет максимальную прокаливаемость на расстоянии 4 мм от торца стандартного образца, а сталь 60ХГМ имеет ту же твердость на расстоянии 16 мм от торца образца.
ГЛАВА II
ТЕХНОЛОГИЯ ТЕРМИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКЙ ДЕТАЛЕЙ МАШИН
ПРОЦЕССЫ ТЕРМИЧЕСКОЙ ,ОБРАБОТКИ
Технология термической обработки деталей из металлов и сплавов включает процессы нагрева, выдержки и охлаждения.
Как при нагреве, так и при охлаждении металла происходит пластическая деформация, сопровождающаяся нарушением равновесия межатомных сил притяжения и отталкивания, с одной стороны, и внешних сил, с другой, вызывающая даже разрушение металла. При нагреве выше точки АСя наблюдается, как правило, рост кристаллов за счет миграции границ зерен, при этом также происходит их деформация.
Существует диффузионная деформация, которая эффективно проявляется в результате теплового движения атомов. Чем выше температура, тем активнее диффузия. При охлаждении этот процесс затухает.
Явления, происходящие при нагреве и охлаждении в макрообъеме, сопровождаются перекристаллизацией, которая также вызывает деформацию. Перекристаллизация в углеродистой стали связана с диффузией углерода. При охлаждении кристаллическая решетка переходит из гранецентрированной в объемноцент-рированную, а при резком охлаждении (закалке) в тетрагональную.
Таким образом, деформация стальных изделий является неизбежной при термической обработке, и этот фактор имеет исключительное значение в технологии.
Однако максимальная деформация получается иногда не при закалке, когда аустенит переходит в мартенсит, а раньше во время нагрева, вследствие снятия чрезмерного наклепа, возникающего во время обработки резанием.
Помимо процесса деформации, необходимо иметь в виду, что при нагреве стали атомы многих элементов занимают свободные места в узлах кристаллической решетки, в результате чего обра-28
зуется твердый раствор замещения. Твердый раствор замещения в у железе при наличии одновременно атомов углерода, внедренных в промежутки между узлами кристаллической решетки, называется легированным аустенитом.
При медленном охлаждении происходит распад аустенита, связанный с перегруппировкой атомов углерода. В результате этого образуются кристаллиты с объемоцентрированной решеткой, которые называются ферритом, или a-железом. В легированных сталях образуется легированный феррит. При 727° С происходит образование перлита, который имеет пластинчатое строение, переходящее при температуре ниже 727° С и выдержке при ней в зернистую форму вследствие коагуляции пластинок цементита, перемежающихся с пластинками феррита.
При выдержке аустенита при определенной температуре ниже 727° С произойдет изотермическое превращение.
В интервале температур 500—240° С доэвтектидной углеродистой стали находится зона промежуточного превращения. В ней происходит образование структуры игольчатого строения, носящей название бейнита.
При температуре ниже 240° С происходит мартенситное превращение. Зона мартенситного превращения ограничена температурой начала и конца превращения. Температура начала мартенситного превращения зависит от содержания углерода в стали, причем с увеличением содержания углерода в стали она понижается. В зависимости от химического состава мартенситное превращение практически может протекать до температуры —50° С.
В процессе отпуска закаленной стали, состоящей практически из мартенсита и аустенита, изменяются объемы мартенсита (уменьшается) и аустенита (увеличивается). При отпуске до 200° С происходит первое превращение мартенсита. Отпущенный мартенсит имеет решетку, близкую к кубу. Углерод выделяется из мартенсита в виде пластинок карбида. Этот карбид отличен от цементита. В интервале 200—300°С происходит второе превращение, при этом остаточный аустенит превращается в отпущенный мартенсит; объем стали увеличивается. Выше 300° С прекращается выделение углерода из мартенсита и одновременно карбид превращается в цементит. В интервале 300—400° С (третье превращение) происходит снятие напряжений. При 400° С третье превращение заканчивается и сталь состоит из феррита и цементита.
При дальнейшем повышении температуры происходит коагуляция частиц феррита и цементита и образуется структура, носящая название троостита. При дальнейшем повышении температуры образуется сорбит и затем перлит. Перлит, сорбит и троостит отличаются величиной зерен цементита и, следовательно, твердостью.
29
Изменяя температуру нагрева и охлаждения, производят термическую обработку стали. Нагревая сталь в среде, обогащенной углеродом, азотом или другими элементами, производят химикотермическую обработку. При сочетании нагрева и деформации осуществляют термо-механическую обработку.
Отжиг
Отжиг предназначен для перекристаллизации и для рекристаллизации стали. В первом случае процесс происходит с фазовыми превращениями, а во втором — без фазового превращения.
В результате отжига образует-
Рис. 11. Пластинчатый перлит (Х500)
температуры около 400° С. При
ся устойчивая равновесная структура.
Отж^г применяется для подготовки структуры стали к последующей механической обработке, холодной штамповке и последующей термической обработке и для рекристаллизации структур пфсле холодного деформирования.
Отжиг выполняется в нескольких вариантах: полный, изотермический (ступенчатый), и рекристаллизационный.
Полному отжигу подвергаются преимущественно доэв-тектоидные стали. Он проводится при медленном нагреве выше точки Лсз на 30—50° С с выдержкой, необходимой для
полного и равномерного нагрева садки в печи и при медленном охлаждении с печью до нагреве выше Лсз образуется
аустенит, который при медленном охлаждении превращается в перлито-ферритную структуру (рис. 11).
Изотермический или ступенчатый отжиг проводится при нагреве выше точки Лсз на 30—50° С, при выдержке при этой температуре и охлаждении до температуры ниже точки ЛС1. Выдержка при этой температуре должна быть такой, чтобы прошло полное превращение аустенита в перлит или в феррит и перлит в зависимости от состава стали, после чего сталь охлаждается
на воздухе.
30
Изотермический отжиг может производиться с задержкой при двух или трех температурах, при которых происходит изотермический распад аустенита. Такой процесс носит название ступенчатого изотермического отжига.
Изотермический отжиг улучшает обрабатываемость легирования стали по сравнению с полным отжигом и сокращает длительность процесса. Структура получается перлито-ферритная. Перлит пластинчатый (рис. 12).
Рис. 12. Пластинчатый перлит (Х6000)
Рис. 13. Зернистый перлит (Х500)
Отжиг на зернистый перлит (рис. 13) производится при температуре выше точки ЛС1 с выдержкой в течение нескольких часов. При этом происходит коагуляция карбидных включений перлита и образуются зернистые включения. Для ускорения процесса используют так называемый пульсирующий отжиг, снижая, и поднимая многократно температуру около точки ЛС1.
Этот процесс рекомендуется проводить с использованием нагрева штамповок после удаления облоя. Охлаждение штамповок, можно вести на воздухе. Неполный отжиг преимущественно применяется при обработке з^эвтектоидных сталей. Структура стали после смягчающего отжига состоит из зернистых карбидов и ферритной основы. Эта структура благоприятствует обрабатываемо-
3>
сти стали при содержании углерода выше 0,5%, а также холодной деформации (при волочении, глубокой вытяжке, холодной прокатке) .
Зернистая структура благоприятствует закалке, повышая закаливаемость стали.
Рекристаллизационный отжиг применяют для исправления текстуры холоднодеформированного металла. Проводится он при температуре выше температуры рекристаллизации. Для малоуглеродистой стали эта температура находится примерно в интервале 650—700° С. Деформированная структура заменяется мелкой равноосной. Обрабатываемость стали после рекристаллизационного отжига улучшается.
Нормализация
Если нагрев ведут мало- или среднеугл^родистой, а также легированной стали при температуре выше точки Ас3 на 30—50°С с необходимой выдержкой и затем детали или отливки охлажда-
Рис. 14. Микроструктура стали до нормализации (Х400)
ют на воздухе, то такой процесс называется нормализацией. Этот процесс приводит к перекристаллизации структуры стали, в результате чего структура получается более мелкозернистой, чем она была после ковки или литья.
На рис. 14 представлена микрофотография структуры до нормализации, а на рис. 15 — после нормализации. Особенно этот процесс эффективен для исправления видманштеттовой структуры литой стали (рис. 16).
Применяют процесс нормализации также для исправления структуры сварного шва среднеуглеродистой стали, причем 32
Рис. 15. Микроструктура стали после нормализации (Х400)
Рис. 16. Видманштетова структура (Х400)
Рис. 17. Полосчатая структура стали до нормализации (Х400)
Рис. 18. Структура стали после нормализации (Х400)
3 Заказ 849
33
нагрев производится током высокой частоты в две ступени с выдержкой в течение 9 и 15 сек. Температура около 1000° С.
Процесс нормализации оказывает положительное влияние на исправление полосчатой структуры в прокате. На рис. 17—18 показана структура до и после нормализации.
Необходимо отметить, что чем быстрее нагрев и меньше выдержка при температуре выше точки ЛСз, тем мельче получается структура, поэтому наилучшие результаты получаются при нагреве токами высокой чистоты и быстром охлаждении.
При нормализации деталей с большим сечением в сердцевинных слоях металла получается крупная и неоднородная структура. Для получения однородной структуры в малоуглеродистых сталях, содержащих до 0,3% углерода, рекомендуется нагревать сталь до 950—1000° С, а охлаждение производить в масле.
Некоторые легированные стали после нормализации имеют закаленную структуру, поэтому их следует подвергать высокотемпературному отпуску.
Для более глубокого охлаждения при нормализации применяют охлаждение струями воды, разбиваемой паром высокого давления. Процесс нормализации подготовляет структуру стали к обрабатываемости на металлорежущих станках; структура состоит из перлита и феррита.	v
Ступенчатая, изотермическая и обычная закалка
Ступенчатая закалка заключается в том, что после нагрева выше АСз + 50° С сталь охлаждают в ванне до температуры немного выше точки Мн, затем выдерживают при ней в течении времени, которое необходимо для выравнивания температуры по сечению детали, после чего охлаждают в воде, масле или на воздухе для закалки, т. е. получения мартенситной структуры.
Ступенчатая закалка применяется преимущественно для закалки деталей упрочненных, цементованных, нитроцементован-ных или карбонитрированных. В поверхностной зоне изделий получается мартенсит, а в глубинных слоях троостомартенсит (рис. 19), вследствие чего достигается высокая конструкционная прочность и минимальная деформация стали.
Изотермическую закалку осуществляют также при температуре выше точки Мн с выдержкой, обеспечивающей полное превращение аустенита в промежуточной области; структура получается бейнитная. При охлаждении применяются масляные и соляные ванны.
Применение ступенчатой и изотермической закалки практически возможно для деталей тонкого сечения и преимущественно из легированных марок стали.
34
При ступенчатой закалке можно вести правку детали непосредственно после извлечения ее из ванны. В момент происходящего мартенситного превращения сталь находится в исключительно вязком состоянии.
Обычная закалка, в отличие от изотермической и ступенчатой закалки, производится при охлаждении с температуры нагрева выше точки Лсз на 50°С в среде, имеющей температуру в интервале начала и конца мартенситного превращения; структура — мартенситная (рис. 20).
Необходимо отметить, что нагрев под закалку заэвтектоид-ной стали производят при температуре выше точки ACJ на 50° С
Рис. 19. Троостомартенсит (Х500)
Рис. 20. Мартенсит (Х500)
в связи с опасением получения при закалке большого количества остаточного аустенита. В случае нагрева стали доэвтектоидной ниже ЛСз получается так называемая неполная закалка. В структуре такой стали, кроме мартенсита, будет феррит, что может привести к усталостной поломке изделий.
В практике часто осуществляют закалку с подстуживанием для снижения закалочных напряжений. Температура подстужи-вания должна быть несколько выше точки ЛСз. Температура нагрева в этом случае обычно выше точки АСз на 75—100° С (для повышения аустенизации), т. е. большего легирования твердого 3*	35
раствора элементами, трудно переходящими из карбидов в твердый раствор.
Закалка с самоотпуском производится при охлаждении стали не до температуры охлаждающей среды, а прерывается при снижении ее до 250—200° С. Такой процесс чаще осуществляется при охлаждении деталей, нагретых т. в. ч.
Улучшение
Процесс улучшения стальных деталей состоит из двух операций: закалки и высокотемпературного отпуска. Закалка углеродистых сталей производится в воде, а легированных — в масле при температуре 60—90° С. С повышением температуры масла закаливающая способность его улучшается, поскольку йовышает-ся жидкотекучесть масла.
Для равномерного и быстрого охлаждения необходимо, чтобы масло интенсивно циркулировало в закалочном баке, что достигается при помощи пропеллеров и подачей струи охлажденного масла под давлением (обычно не менее 3 кГ1см2).
После закалки детали и штамповки, а также отливки должны быть немедленно подвергнуты отпуску во избежание образования закалочных трещин, возникающих вследствие напряжений при образовании мартенсита. Особенно это необходимо делать при охлаждении в воде.
После отпуска во избежание образования трещин в штамповках или деталях из легированной стали, склонной к отпускной хрупкости, необходимо охлаждать их в воде или масле.
В результате отпуска получается структура, состоящая из сорбита или троостита, в зависимости от температуры отпуска: 600—650° С — сорбит, 450—500° С —троостосорбит, 350—400° С— троостит. Улучшение не достигает своей цели, если в сердцевине детали будет феррит, наличие которого возможно при неполной закалке. В случае обнаружения его в структуре детали необходимо при обработке следующей детали либо повысить температуру, либо увеличить скорость охлаждения.
Старение
Старением называется явление, которое наблюдается в сплавах и стали и сопровождается охрупчиванием металла с течением времени. При выдержке металла происходит распад пересыщенного твердого раствора, вызывающий так называемое дисперсионное твердение, т. е. повышение твердости. Практически это получается после длительной выдержки сплава при комнатной температуре. Процесс может быть ускорен повышением температуры (искусственное старение).
36
Это явление связано с выпадением дисперсных кристаллов избыточной фазы, например в стали — третичного цементита из феррита. В результате изменяются свойства стали: повышается прочность и другие свойства. Чем выше дисперсность выделяющейся фазы, тем выше прочность сплава.
Явление старения после холодной деформации наблюдается после длительного хранения тонких листов малоуглеродистой стали при комнатной температуре. Сталь мелкозернистая с добавкой алюминия или титана и других элементов практически не стареет. Процесс старения в стали наблюдается только при низком содержании углерода.
Старение после пластической деформации низкоуглеродистой стали называется деформационным старением.
Явление старения наблюдается также при длительном применении точного инструмента или эталонов, если они не были подвергнуты искусственному старению. Например, калибры могут после длительного применения потерять свою точность.
В процессе старения низкоуглеродистой стали азот и углерод, выделяясь из твердого раствора при комнатной температуре, медленно образуют дисперсные частицы карбидов и нитридов, упрочняющих границы зерен, чем и вызывается хрупкость.
ТЕХНОЛОГИЯ ПРОИЗВОДСТВА ШТАМПОВОК
Гомогенизация твердого раствора
Современное направление в производстве штамповок заключается в сочетании горячей механической обработки (штамповки) и термической обработки. Созданы автоматические линии, в которых осуществляются процессы нагрева, штамповки и термической обработки.
В этих линиях выполняется так называемый «комплексный процесс», в течение которого в одном ритме последовательно выполняются все операции обработки. В этом случае не происходит разрыва между операциями.
Это прогрессивное направление позволяет создать автоматические заводы по производству деталей машин, что требует разработки новых технологических процессов и оборудования.
. По существующей технологии процесс термической обработки штамповок обычно выполняется в установках, размещенных в термическом отделении кузнечного цеха.
Повторный нагреб штамповок считается необходимым для устранения крупнозернистого строения стали, которое по установившемуся представлению снижает прочностные свойства стали в изделиях.
37
Однако, как показали исследования последних лет {8, 10, 11, 21], крупнозернистое строение стали в штамповках не может служить признаком обязательного снижения прочности и пластичности.
На основании производственных и научно-исследовательских работ появилась возможность модернизировать технологический процесс производства штамповок путем использования тепла, остающегося в штамповках. После удаления заусенца оказалось возможным выполнять термическую обработку, используя остающееся тепло, и таким образом создать комплексный технологический процесс.
При нагреве заготовок (штамповок) происходят процессы, изменяющие структуру стали; перед штамповкой сталь находится в более или менее гомогенном состоянии твердого раствора. Исследованию гомогенизации стали при высокотемпературном нагреве была посвящена работа В. И. Просвирина [20]. Эта раг бота показала, что явление аустенизации в стади весьма сложно, поскольку в ее состав входят элементы, легко и трудно переходящие в твердый раствор, образующие и не образующие карбиды, и сами карбиды диссоцируют и легко или трудно переходят в твердый раствор. В. И. Просвирин показал, что, несмотря на длительный нагрев стали при высоких температурах (выше точки Ас3 на несколько сот градусов), не только не наблюдается однородность в состоянии твердого раствора, но даже с повышением температуры увеличивается микронеоднородность. Им было проведено исследование сталей со специальными карбидами титана, молибдена и ванадия; аустенизация производилась при 1150—1250° С.
Микроанализ существенных изменений не показал даже в том случае, когда аустенизация производилась в течение 12 ч. В пределах одного аустенитного зерна твердость была различной от 120 до 200 НВ, что указывает на неоднородное строение твердого раствора.
Исследования с помощью вакуумной металломикроскопии показали, что гомогенизация твердого раствора влияет на степень измельчения структуры стали вследствие полигонизации строения зерна аустенита, т. е. благодаря образованию блочной структуры. Исследовалась сталь марка 45; образцы подвергали нагреву до 850 и 1300° С при выдержке в течение 10 мин, закаливали в масле и отпускали при 500° С. Микроструктура, полученная в результате такой обработки, изображена на рис. 21 и 22. Микроструктуры резко отличаются друг от друга; структура стали, закаленной от 850° С, имеет более грубый вид, чем структура стали, закаленной от 1300° С.
Можно констатировать, что при высокотемпературном нагреве однородности в структуре стали не достигается, но в то же время структура становится более дисперсной.
38
При нагреве стали до весьма высокой температуры (около 1350° С) и длительной выдержке при ней создаются условия для максимальной диффузии элементов как внутри аустенитных зерен, так и в приграничных областях, вследствие чего достигается максимально возможная гомогенизация аустенита легирующими элементами. В этом заключается один из способов модернизации технологии кузнечного производства при индукционном нагреве
Рис. 21. Микроструктура стали, закаленной с 850° С (Х6000)
Рис. 22. Микроструктура стали, закаленной с 1300° С (Х6000)
заготовок, который используется для осуществления непосредственной закалки штамповок после удаления заусенцев, а также для нормализации. Вместе с этим улучшается качество металла в штамповках благодаря большей степени уплотнения, так как при высокой температуре может быть получена большая степень уковки металла.
Высокотемпературный нагрев
Попытки использования высотемпературного нагрева для термической обработки имели место давно. Еще в 1938—1942 гг. С. С. Строев осуществил процесс цементации изделий из стали 18ХНМА при высоких температурах.
39
Высокотемпературный нагрев рекомендован Я. Р. Раузиным [21] для получения дифференцированных структур поковок из стали ШХ15 с ковочного нагрева.
Прогрессивные процессы, широко внедрившиеся в производстве и связанные с индукционным нагревом, осуществляются в условиях высокотемпературного нагрева.
По вопросу высокотемпературного нагрева Девенпорт и Бейн [27] отмечают, что если удалось бы каким-либо образом удержать рост зерен стали при весьма высокой температуре, то прочность была бы значительно повышена. Позднейшие исследования подтвердили, что нагрев при температурах выше точки Ас 3 особенно эффективен при сохранении мелкозернистого строения стали благодаря присутствию элементов (Ti, Zr), образующих дисперсные карбиды. Так, например, при нагреве стали 3,0ХГТ и ЗОХГТЦ выше точки Ас 3 на 300—400° С при сохранении зерен аустенита 7—8-го балла получаются вьЛюкие показатели прочности и пластичности (табл. 17 и 18).
Таблица 17	'	Таблица 18
Прочность и пластичность стали ЗОХГТ при высокотемпературном нагреве для закалки
Температура нагрева под закалку в °C	zWWU* s SD	£ к 0 за О	5 в %	Ф в %	ан в к Г mJcm2
1150 1200 1250 1300	139 144 135 132	172 173 165 148	11 11 11 10	48 43 43 43	4,3 4,3 3,0 2,8
Примечание. Температура отпуска 200° С.					
Прочность стали ЗОХГТЦ, закаленной в масле
Температура нагрева в °C		Предел прочности ав в кГ'мм*	
Закалка	Отпуск	Образец обычный	Образец Фридмана с надрезом
950 1050 1150 1200 1250	200 200 200 200 200	172 170 170 168 160	132 115 120 130 125
В сталях, подвергающихся высокотемпературному нагреву, должны быть использованы элементы, образующие дисперсные карбиды (Ti, V, Се, Zr). Особое значение приобретают церий и цирконий, образующие теплостойкие соединения с серой при весьма высоких температурах (1350°С).
Сера в стали находится в соединении с марганцем, образуя сульфиды. Сульфиды при высокой температуре распадаются, и при охлаждении сера частично осаждается на оставшихся включениях сернистого марганца, а частично выделяется в пограничных областях и образует эвтектику, плавящуюся при 988° С. 40
Расплавленная эвтектика обволакивает зерна аустенита и при охлаждении образует хрупкую оболочку, которая разрушается при ударах. Такое явление ошибочно связывают с перегревом стали и образованием крупнозернистого строения.
Церий и цирконий (или оба вместе) образуют прочные соединения с серой, которые при нагреве до весьма высоких температур не распадаются, вследствие чего сера не может выделиться в приграничных областях зерен и охрупчивания стали не происходит.
Для предотвращения вредного влияния серы необходимо принимать меры при выплавке стали, если она предназначается для
высокотемпературного нагрева: производить рафинирование стали синтетическим шлаком, модифицировать сталь кальцием, церием, цирконием, в результате чего большое количество серы переходит в
Таблица 19
Механические свойства образцов стали 45, нагретых до высоких температур (закалка в масле и отпуск при 500° С) Образцы Фридмана с надрезом и перекосом
шлак.
Стабильность прочностных свойств стали при нагреве в большом интервале температур указывает на возможность выбора такой температуры, какая окажется наиболее приемлемой для практических целей. Как правило, при высокотемпературном нагреве при грубозернистой структуре аустенита (балл 1) в закаленном состоя-
Температура закалки в °C	Предел прочности од в кГ/ммг	
	с подстужива-нием	после закалки без подстужи-вания
950	119,3	119
1050	115	115
1150	125	145,7
1200	126	143
1250	97	72
нии сохраняется высокий пре-
дел прочности даже у простых углеродистых сталей, что иллюстрируется, например, данными для стали 45 в табл. 19, полученными при испытании образцов Фридмана с надрезом и перекосом с целью концентрации напряжений.
Снижение прочности при температуре 1250° С объясняется падением плотности дислокаций.
Одним из доказательств отсутствия вредного влияния высокотемпературного нагрева на прочностные и пластические свойства стали, легированной элементами, образующими карбиды, могут служить данные, приведенные в табл. 20.
У легированных сталей наблюдается большая устойчивость дислокаций, чем у углеродистых.
Критическая температура, соответствующая максимальной сосредоточенности дислокаций на границах зерен, для большинства сталей находится около 1200° С, а для сталей, имеющих
41
Таблица 20
Влияние высокотемпературного нагрева на механические свойства стали 18ХНМА (закалка в масле, отпуск при 180° С)*
Температура нагрева под закалку в °C	ав в кГ/ммг	<js в кПммг	6 в %	Ф в %	ан в кГм!см2
850	137	120	12	58	12
950	135	115	11	56	12
1000	135	115	11	55	12,5
1100	135	115	12	55	И
1200	136	115	11	55	13
* По Гудремону [11], при нагреве дс			) 1200° С произошел большой		рост зерен,
однако прочность и пластичность остались высокими, в				связи с чем Гудремон от-	
мечает, чтс	> величина зерна стали, определенная по			микрошлифу,	не может
служить основанием для оценки ее качества.					-
элементы, образующие дисперсные теплостойкие карбиды, эта температура повышается до 1350° С. '	>
Диапазон температур, при которых не происходит снижения прочности, можно назвать «экстремальным», т. е. наиболее выгодным. Нижнюю температуру экстремального диапазона можно принять соответствующей для каждой марки стали получению зерна не ниже 5-го балла стандартной шкалы зернистости (зерно 4-го балла считается признаком перегрева), а верхнюю температуру для всех сталей можно принять равной 1200° С* по соображениям технологического порядка, так как более высокая температура разрушает магнезитную кладку печи.
Таблица 21
Механические свойства стали 45
Температура в °C		Закалочная среда	°в в кГ/ммг	°, в кГ/мм2	6 В %	Ф В %	ан в кГм'см*
закалки	отпуска						
850	650	Масло	72	60	22	65	10
850	400	Вода	127—130	115—117	8—11	44—52	7-8
1280	400	Вода	117—127	104—112	4—5	27—30	4—4,7
Как показывают данные табл. 21, статическая прочность возросла при высокотемпературном нагреве, а пластичность резко снизилась по сравнению с обычной обработкой в процессе улучшения стали 45. Судить о высокой прочности стали, закаленной с весьма высоких температур, можно по данным испытания образцов Фридмана, например, стали 12Х2Н4А с надрезом и перекосом (табл. 22).
Из рассмотрения данных табл. 19, 20 и 22 следует, что, несмотря на предельный рост зерен, сталь сохраняет высокую 42
прочность даже в условиях, облегчающих излом (надрез, перекос). Экспериментально установлено, что даже при обычных условиях нагрева закалка в воде вызывает высокие напряжения и образование трещин. Поэтому необходимо при высокотемпературном нагреве производить
закалку в масле.
Вследствие повышенной легированное™ твердого раствора мартенсит получается повышенно легированным.
В табл. 23 приведены характеристики различных марок стали по склонности их к росту зерен аустенита при повышении температуры.
Исследование изменения тонкой структуры рентгенографическим методом стали марок 12Х2Н4А, ЗОХГТ, 40Р и 45 поз
Таблица 22
Механические свойства стали 12Х2Н4А в образцах Фридмана с надрезом и перекосом, нагретых под закалку до 1250° С (закалка в масле и отпуск при 200° С; зерна аустенита 1-го балла)
as в к Г.) мм2	Д ш ь3	% а 2	Ш	3 ш а: с
113	130	9,7	41	10,5
113	131	12,0	48,5	10,2
113	128	10,0	46	10
волило установить зависимость
ширины линии (ПО), связанной с блочной структурой стали, от температуры закалки стали. Исследование производилось на аппарате УРС50И *. Съемка производилась на образцах, закаленных в воде без подстуживания и с подстуживанием до 850° С без отпуска.
Таблица 23
Влияние температуры на рост зерен различных марок стали (размер зерен по стандартной шкале)
Марка стали	Температура нагрева в °C					Выдержка в ч
	850	925	980	1050	1100	
1117	8	6—7	6—7	4—3	3—5	1
	8	5—7	4—7	4—7	3—6	3
4615	8	7—9	7—8	7—8	7—8	1
	8	7—8	7—8	7—8	6—7	3
8620	8	7	7	4—7	4—6	1
	8	7	7	3—7	3—6	3
9315	8	8	8	8	8	1
	8	8	8	8	8	3
						
* Работа проводилась Институтом стали и сплавов на ЗИЛе под руко одством проф. д-ра техн, наук С. С. Горелика.
43
При нагреве образцов из стали 45 до температуры 1050° С кривая имеет максимум (см. рис. 23). Резкое падение кривой после максимума объясняется снятием напряжений от наклепа и окончанием рекристаллизации. Дальнейшее повышение кривой после нагрева выше 1150° С вызвано увеличением концентрации угле-з	рода в мартенсите и ростом
вследствие этого напряжений
Рис. 25. Диаграмма ширины линии (НО) стали 12Х2Н4А
Рис. 26. Диаграмма изменения ширины линии (ПО) стали ЗОХГТ в зависимости от температуры
При закалке с подстуживанием до 850° С термические напряжения невелики и невелика тетрагональность мартенсита. Этому вполне соответствует характер кривой на рис. 23.
Для стали 45 порог рекристаллизации аустенита находится вблизи 1050° С. Для стали 40Р (рис. 24) максимум уширения линии (110) наблюдается вблизи 1150° С. Для стали 12Х2Н4А (рис. 25) уширение линии (ПО) остается более или менее постоянным при нагреве до 1250° С. Для стали ЗОХГТ (рис. 26) уширение линии (ПО) происходит в узком диапазоне при нагреве до 1250° С.
При подстуживании стали марок 12Х2Н4А и ЗОХГТ до Ас3 + + 50° С выделяются дисперсные карбиды. Исследование карбидов ЗОХГТ показало, что при увеличении температуры закалки 44
карбидная фаза остается обогащенной карбидами титана. Это связано с тем, что карбиды титана распадаются при высокой температуре, а при охлаждении выделяются в дисперсной форме.
Отмечено, что при повышении температуры закалки до верхней температуры экстремального диапазона статические прочностные свойства стали ЗОХГТ и 12Х2Н4А остаются стабильными. Таким образом, установлен факт влияния тонкой структуры, создающейся за счет фазового наклепа при а — у-превращении, на механические свойства стали исследованных марок.
Микроструктура стали 45 в отпущенном состоянии характеризуется значительным измельчением цементита в структуре перлита. Цементит перлита имеет вид тонких пластинок, размещающихся параллельно, в то время как структура стали, закаленной при обычной температуре и отпущенной, имеет цементит округлой формы (рис. 27).
Сталь марки ЗОХГТ, закаленная при высокой температуре (1300° С) и отпущенная при 200° С, отличается от этой же стали, закаленной при обычной температуре (850° С) рис. 28, наличием более крупной игольчатости мартенсита (рис. 29). Мелкие включения карбидов в стали ЗОХГТ, нагретой до 1300° С, располагаются по границам игол мартенсита (рис. 30).
У стали 12Х2Н4А карбиды хрома легко переходят в твердый раствор и при закалке выделяются в дисперсном состоянии по границам блоков. На рентгенограмме стали 12Х2Н4А, закаленной без подстуживания, факсируются большие размытия линий, что подтверждает увеличение блочности.
Подстуживание стали 45 и 40Р вызывает уменьшение размытия линий на рентгенограммах вследствие снижения напряжений.
Из рассмотрения данных табл. 19 следует, что сталь марки 45 можно нагревать, без опасения снижения прочности, до 1200° С. Пластичность ее можно повысить, варьируя температуру отпуска, например, повысив ее до 600—650° С (табл. 24), но при этом резко падает прочность.
Таблица 24
Влияние температуры отпуска и среды охлаждения на механические свойства стали марки 45, имеющей крупнозернистое строение
Температура в °C		Среда 1 		5 t> ш	в кГ!мм~	* л сс *	5 в %	ш	а: * <3 0
закалки	отпуска							
1200 1200	400 600	Вода . Масло	121 56	131 60	140 72	5 22	27 65	3,6 10,4
45
Рис. 27. Цементит округлой формы (ХбООО)
Рис. 28. Микроструктура стали ЗОХГТ, закаленной при температуре 850° С (Х400)
Рис. 29. Микроструктура стали ЗХГТ, закаленной при температуре 1300° С (Х400)
Рис. 30. Карбиды по границам игл мартенсита (Х6000)
46
Испытание стали 45 при минусовых температурах на образцах Фридмана с надрезом и перекосом, нагретых до 1200° С, закаленных в масле и отпущенных при 550° С, не обнаружило хрупкости.
Влияние минусовых температур на ударную вязкость образцов стали 45 (балл зерна 1-й) следующее:
Температура испытания в	°C ... -’18	0	—5	—40	—60
ан в кГм/см2 ..................... 9,25	7,0	7,00	6,1	5,0
Испытания показали, что усталостная прочность также не снизилась.
Влияние высокой температуры на усталостную прочность стали 45 при отпуске 500° С констатируется нижеприведенными данными:
Температура нагрева в °C................ 950	1050 1150 1250 1300
Предел усталости в кГм1см2............. 37,5	37,5 38,0 38,5 40,0
Отсутствие связи между размером зерен и хрупкостью стали подтверждается также и данными, относящимися к легированным маркам стали — ЗОХГТ, ЗОХГТЦ. Сталь ЗОХГТ испытывалась в образцах, нагревавшихся под закалку до 1125° С (табл. 25) и закаливавшихся с подстуживанием и без подстужи-вания.
Таблица 25
Механические свойства стали ЗОХГТ после высокотемпературного нагрева под закалку
Температура в °C			°s в кГ/мм*	ав в к Г /мм*	8 в %	Ф . в %	ан в к Гм/см2
закалки	подстуживания	отпуска					
850	200		145	165	13	50	6,7
1050	200		134	163	11	54	7,0
1250	200		129	149	10	52	6,0
1050	850	200	145	166	12	54	7,0
1125	850	200	136	154	11	45	6,0
Подстуживание имеет большое значение только для снижения деформации.							
Сталь марки ЗОХГТЦ закаливали без подстуживания (табл. 26). Рентгеноструктурный анализ исследованных марок стали, подвергнутых высокотемпературному нагреву, позволяет подразделить их на две группы:
1) стали 45 и 40Р, 2) 12Х2Н4А, ЗОХГТ, ЗОХГТЦ, у которых карбиды хрома, титана и циркония при закалке выделяются в Дисперсном виде.
47-
Таблица 26
Влияние высокотемпературного нагрева на механические свойства стали ЗОХГТЦ
Температура в °C		ав в к Г /мм2	°s в кГ/мм2	8 в %	Ф в %	ан в к Гм! см2
закалки	отпуска					
950	200	164	138	11	48	6,0
1050	200	152	131	11	50	6,2
1100	200	165	144	10,5	47	6,2
1150	200	164	148	11	47	6,2
1250	200	159	142	10	46	6,0
На рентгенограммах, снятых с закаленных с высоких температур образцов всех вышеуказанных марок стали, наблюдается уширение линии (ПО), что указывает на увеличение блочности в структуре. В сталях 40Р и 45 блочная структура образуется вследствие напряжений, а у остальных — вследствие многочисленных выделений ультрадисперсных карбидов, служащих центрами образования блоков.
Блочностью структуры и плотностью дислокаций можно объяснить высокую прочность исследованных марок стали, несмотря на крупнозернистое строение.
Таковы основные теоретические положения, вытекающие из рассмотрения явлений, происходящих в стали при высокотемпературном нагреве.
Эффективность высокотемпературного нагрева проверена при индукционном нагреве для скоростного процесса газовой цементации.
Использование ковочного тепла для термической обработки штамповок
Исследование влияния высокотемпературного нагрева на прочность стали показывает, что штамповки можно непосредственно закаливать после удаления облоя, используя остающееся в них тепло, при условии, что температура их не ниже точки _АС —50° С. При этом не нужно строить специальные термические отделения и исключаются транспортные и эксплуатационные расходы.
Кроме того, можно создать комплексный технологический процесс, включающий штамповку и термическую обработку и автоматическую линию в кузнечном производстве.
Рассмотрим физические явления, происходящие при штамповке и закалке.
-48
В каждом кристалле существует большое количество дислокаций, которые в процессе деформации металла удаляются друг от друга или приближаются и при этом зарождаются новые дислокации.
При движении дислокаций возникают напряжения, которые передаются на ряд уже искаженных решеток, что вызывает увеличение энергии искаженного кристалла. Движение дислокаций заканчивается их заклиниванием. Скольжение дислокаций переходит в другие плоскости. Образуется решетка дислокаций, а это приводит к упрочнению металла.
На прочность стали оказывают влияние также блочность структур, карбиды в дисперсной форме и измельчение зерен в результате деформации. В состоянии, непосредственно перед закалкой после штамповки сталь имеет более равномерный прогрев как в поверхностных объемах штамповки, так и в центральных слоях; температура в центре штамповки выше получающейся при повторном нагреве штамповок перед закалкой. Вследствие этого повышается прокаливаемость и в результате улучшаются механические свойства стали в центральных объемах штамповок.
В сталях, легированных карбидообразующими элементами, к моменту закалки твердый раствор менее однороден вследствие растворения карбидов и легирования твердого раствора.
При повторном нагреве штамповок под термическую обработку выделившиеся при охлаждении штамповок в стали карбиды могут не перейти в твердый раствор, что снижает прокаливаемость стали и, следовательно, понижает механические свойства стали. Таким образом, процесс закалки с температуры конца штамповки теоретически обоснован, вследствие чего находит все большее применение в промышленности.
В практике существуют два способа закалки штамповок, а именно —с подстуживанием до температуры Ас* н-50°С и без подстуживания. Снижение температуры подстуживания до более низких температур недопустимо, так как это вызывает неполную закалку.
В табл. 27 приведены данные, показывающие влияние подстуживания на прочность стали 40 и стали 35Т. Приведенные данные показывают, что подстуживание штамповок перед закалкой влияет на ударную вязкость стали 40 и не влияет на ударную вязкость стали 35Т (с титаном). Объясняется это влиянием дисперсных карбидов титана. Этот фактор следует учитывать при разработке технологического процесса. В табл. 28 приведены данные по механичесййм свойствам стали 40Х в штамповках, обработанных без подстуживания. Данные табл. 29 позволяют отметить, что закалка с температуры конца ковки равноценна по результатам обычному процессу улучшения после повторного
4 Заказ 849	до
Таблица 27
Влияние температуры подстуживания на механические свойства стали 40 (отпуск при 610° С) и стали 35Т (отпуск при 640° С)
X	СО , £2	3	'й				X ч	я « gg	а-	'Й			5
Q		а				и.	о	н =и сх °					
СО X	i к Лох Hex	X	X		\О	X	со X	Eq® 2 <=t К 2 g §	X	X		О'-	X
я £		о”	е>	сО	-э-	а: Q	i			е/	0 бО	-э-	а: <3
	1000	84	75	20	64	21		1000	86	75	17	65	14
40	950	77	67	21	68	19	35Т	950	83	72	18	64	16
	900	79	67	21	68	17		900	83	73	18	66	16
	850	87	75	19	64	14		850	86	74	19	64	16
	800	75	65	20	67	12		800	80	69	22	66	17
	Примечание. Температура нагрева под закалку 1 200° С и температура окон-												
чания процесса ковки 1000 °C.													
Таблица 28
Механические свойства стали в штамповках из стали 40Х, закаленных непосредственно после штамповки и улучшенных обычным порядком (отпуск при 610°)
Режим термообработки	ао в кГ)мм2	°s в к Г,'мм2	5 в %	Ф В %	ан в кГм/см2
Закалка с 1000° С ... .	88—98	76—78	18—19	50—57	12
Повторный нагрев, закалка с 850° С		94—98	80—84	17—22	56—66	16
Примечание. Температура нагрева под ковку 12 00° С и температура окончания процесса ковки 1000° С.
Таблица 29
Прочность шатунов из стали 40Р, закаленных непосредственно после штамповки и подстуживания до 850° С в масле и закаленных после повторного нагрева на 850° С.
Отпуск в обоих случаях при 650° С
Характеристика^ процесса	Разрушающее усилие в кГ	Структура
Штамповка при 1200° С, медленное охлаждение на воздухе, вторичный нагрев до 850° С, закалка в масле 	 Штамповка при 1200° С, подстуживание до 850° С, закалка в масле 		20 000 19 950	Сорбит Сорбит
50
Поскольку для качества стали будет иметь значение закалка с температуры конца штамповки, следует доштамповку вести во втором ручье штампа при возможно низкой температуре, тогда будет достигнута максимальная прочность вследствие измельчения зерна аустенита.
Таблица 30
Влияние температуры конца штамповки на предел текучести стали 40 (отпуск при 600° С)
Температура конца штамповки и закалки в °C	а в в к Г мм2	в кГ мм2	s в %	Ф в %	1 ан в к Г м см2 ?
1200	80	66	20	64	15
950	82	72	18	59	16
900	83	74	18	66	13 <
850	83	73	18	65	13
830*	74	55	25	66	19	1 ।
♦ Образец из штампованной заготовки, подвергавшейся калке с 830° С.				повторному нагреву и за- ) г	
В табл. 30 приведены данные, характеризующие влияние температуры конца штамповки на предел текучести стали 40 вследствие измельчения зерен аустенита. В табл. 31 приведены данные прочностных характеристик образцов из фланцев, обработанных по двум вариантам.
Таблица 31
Механические свойства образцов, вырезанных из штамповок фланца (сталь 35)
Характеристика технологического процесса	as в кГ’мм2	°. в кГ!мм*	8 в %	Ф в %	ан в кГм'см*
Закалка с температуры конца	60	84	23	60	27	:
ковки 1200° С без подстужива-	58	78	23	69	25
ния; отпуск при 500° С	53	77	23	60	27
После штамповки охлаждение	52	74	23	69	18
на воздухе, вторичный нагрев	47	68	24	65	18
под закалку до 850° С, закалка, отпуск при 500°С	47	72	24	68	17 1
Повышение ударной вязкости металла штамповки, подвергавшейся непосредственно закалке после окончания ковки, объясняется более равномерным прогревом металла и повышением прокаливаемости.
В работе [2] приводятся материалы, подтверждающие целесообразность термической обработки крупных штамповок с температуры конца ковки из углеродистых и легированных сталей не только в целях улучшения механических свойств стали, но и с целью исключения образования флокенов. Пробные штамповки из стали 45 имели температуру: при диаметре 300 л/л/ 830— 1200° С, при диаметре 500 мм 960—980° С, а из стали 40ХН — при диаметре 300 мм 830—980° С и при диаметре 500 мм 950—1000° С.
Перед непосредственной закалкой штаповки (пробы) подсту-живались в печи до 850° С в течение 4 ч для стали 45 и 1,5 ч для стали 40ХН, после чего пробы передавались в закалочный бак, при этом на поверхности проб температура была 760—820° С. Пробы из стали 45 охлаждались в воде, а из стали 40ХН — в масле; охлаждение велось до 200° С, а затем пробы отпускались при 640—660° С в течение 40 и 45 ч соответственно для стали 45 и 40ХН. Установлено, что в стали марки 45 после непосредственной закалки без повторного нагрева и отпуска при 640—660° С флокены отсутствуют.
Приведенный из производственной практики материал подтверждает целесообразность разработки технологического процесса в комплексе штамповка — термическая обработка, тем более, если применять специальные стали для высокотемпературного нагрева с учетом явлений гомогенизации при сохранении мелкозернистого строения. Особенно эффективен процесс при индукционном нагреве заготовок под штамповку, поскольку может быть автоматизирован как нагрев металла, так и все операции, связанные с перемещением штамповок из одной позиции в другую.
Для осуществления процесса используется существующее оборудование: закалочные баки и отпускные печи. При проектировании автоматической линии, включают индукционную установку для нагрева заготовок, штамповочный и обрезной прессы, специальную установку (печь) этажерного типа для замедленного охлаждения или для выравнивания температуры перед закалкой в штамповках. На рис. 31 изображена подобная установка.
За рубежом применяют для непосредственной закалки соляные ванны для изотермической или ступенчатой закалки. При неполном использовании остающегося после удаления облоя тепла для процессов термической обработки используют проходные печи, в которые штамповки поступают по конвейеру, непосредственно подвешенные (валы) или в корзинах. В этих печах штамповки нагревают до температуры выше точки А с + 50° С, а затем охлаждают в отдельной камере. В этом случае использование остающегося тепла можно рассматривать только как фактор экономии средств производства и снижения себестоимости. 52
Создание комплексных автоматических линий в кузнечном производстве коренным образом меняет организацию производства.
В поковках диаметром 500 мм из стали 40ХН хотя флокены и были обнаружены при непосредственной закалке после штамповки, но в значительно меньшем количестве, чем при обычной
Рис. 31. Установка этажерочного типа для охлаждения штамповок
обработке с повторным нагревом. В поковках диаметром 300 мм стали 40ХН флокены обнаружены не были.
Флокеночувствительность значительно усиливается, особенно У стали 40ХН, если после ковки штамповки подстуживать до 850° С и затем закаливать. При повторном нагреве и при понижении температуря до 850° С действует процесс перекристаллизации, а это вызывает флокенообразование.
При непосредственной закалке стали 45 в пробах диаметром 300 мм повышается относительное сужение и ударная вязкость, в пробах диаметром 500 мм выдержка при 850° С не изменяет
53
механических свойств стали по сравнению с непосредственной закалкой после ковки.
Целесообразно повышать отпуск после непосредственной закалки с целью увеличения пластичности стали. Повторная закалка снижает прочность, но повышает вязкость и пластичность стали.
При выдержке стали 40ХН при 850° С после штамповки перед закалкой в образцах диаметром 300 л/л/ механические свойства улучшаются по сравнению с непосредственной закалкой после штамповки, но повышается флокеночувствительность. В пробе диаметром 500 мм после штамповки и выдержки в течение 1,5 ч при 850° С незначительно снижается прочность, но повышается пластичность.
После обычной закалки с 830—850° С и отпуска при 640— 660° С получаются более высокие пластические свойств-a, чем после непосредственной закалки, после ковки и отпуска при 640— 660° С.	, .
Главное преимущество закалки с ковочного нагрева крупных штамповок из стали 45 заключается в исключении флокенообра-зования, так же как и в пробах диаметром до 300 мм из стали 4ЮХН. В пробах диаметром до 500 мм из стали 40ХН флокенооб-разование уменьшается, но не исключается.
На основании работы [12] рекомендуется производить непосредственную закалку после ковки поковок диаметром до 300 мм мэ углеродистой стали и поковок из легированной стали 40ХН диаметром до 550 мм с целью снижения флокенообразовдния. Этот процесс рекомендуется взамен длительного отжига, назначаемого также с целью предотвращения образования флокенов.
Ковочное тепло следует использовать для процесса улучшения крупных поковок путем закалки в масле после подстуживания до температуры выше точки Ас* + 50°С.
Если начало штамповки вести при температуре, значительно превышающей точку А с , то пластическая деформация будет происходить более интенсивно и при меньших усилиях. Штамповка деталей из легированной стали должна быть при этом завершена при температуре ниже точки А с , когда сталь находится еще в аустенитном состоянии. Вследствие этого измельчаются зерна аустенита и прочность стали повышается, если произвести непосредственную закалку после удаления заусенца (облоя).
Целесообразность внедрения этого прогрессивного процесса очевидна и подтверждается отечественной и зарубежной практикой. При этом достигается большой экономический эффект за счет сокращения операций и исключения дорогого оборудования. При применении этого процесса упрощается управление технологией и получается стабильность качества штамповок.
54
ТЕРМОМЕХАНИЧЕСКАЯ ОБРАБОТКА
К числу прогрессивных процессов термической обработки относятся процессы термомеханической обработки (ТМО). Этот процесс был разработан в 1954 г. одновременно в Испании Лип-сом и в Голландии Ван Цвиленом.
При термомеханической обработке происходит пластическая деформация высокотемпературной фазы, которая в наклепанном или частично рекристаллизованном состоянии претерпевает полиморфное превращение [4].
Существует несколько видов ТМО; наиболее распространены процессы высокотемпературный (ВТМО) и низкотемпературный (НТМО). Схема процессов изображена на рис. 32.
За рубежом применяется преимущественно процесс НТМО.
Если деформация производится при температуре выше порога рекристаллизации (рис. 32, а), то такой процесс называется
Время
а)
Рис. 32. Схема процессов НТМО и ВТМО
высокотемпературным (рис. 32, б). При процессе ВТМО деформация производится при температуре значительно выше точки
, а при НТМО ниже точки Ac* (при 500—550°С) в зоне высокой устойчивости переохлажденного аустенита.
Эффект термомеханической обработки заключается в суммарном влиянии пластической деформации и полиморфного превращения. Теоретическое обоснование процессов ТМО заключается в увеличении плотности дислокаций, их равномерном размещении и измельчении з£рен с образованием блоков. При создании блоков увеличивается барьерный эффект, что задерживает движение дислокаций.
Пластичность стали резко падает, как только начинается собирательная рекристаллизация. Это необходимо учитывать при
55
применении ВТМО и для подавления собирательной рекристаллизации следует быстро охлаждать сталь непосредственно после деформации.
Для получения стабильных свойств при закалке низкоуглеродистой стали с прокатного нагрева промежуток времени между окончанием деформации и закалкой должен быть равен нескольким секундам.
Данные работы [7] подтверждают значение процесса рекристаллизации для получения пластических свойств при термомеханической обработке.
В табл. 32 приведены данные, характеризующие влияние температуры деформации на прочностные свойства стали 55ХГР„ подвергнутой ВТМО с обжатием 50% [9].
Таблица 32
Влияние температуры деформации на прочность стали
Температура деформации в °C	ов в кГ'мм2	Gs в кГ!мк2	8 в %	Ф В %	ан в к Гм! см2
1050	218	203	12	5	40
950	235	218	22	6	63
900	238	220	19	6,5	57,5
При понижении температуры деформации увеличивается коэффициент упрочнения. Чем ниже температура деформации, тем при меньшей степени деформации можно достичь значительного упрочнения стали.
Сталь, деформированная при ВТМО и НТМО, имеет прочность и пластичность выше, чем закаленная и отпущенная (табл. 33).
Влияние термомеханической обработки на механические свойства стали 40ХНМА
Таблица 33
Процесс	1 в кГ-мм2	as в к Г мм2	8 в %	Ф В %	ан в kTmIcm2
Закалка, отпуск при 100° С	200	160	9	.30	5,3
ВТМО		215	170	11,5	52	6,5
НТМО		238	185	10,5	43	8,1
В результате фрагментации структуры стали при термомеханической обработке значительно повышаются пластические свойства.
56
Низкотемпературная термомеханическая обработка
Процесс НТМО (Ausforming) получил распространение за рубежом в производстве металла для автомобилей, тракторов и подшипников, а в авиационной промышленности при прокатке ленточных и штанговых заготовок и при штамповке деталей небольшого сечения.
Обработанная НТМО сталь, отпущенная при температуре не выше 600° С, обладает большей прочностью, чем сталь улучшенная, отпущенная при той же температуре и на ту же твердость и лишь при температуре отпуска выше 600° С свойства их становятся одинаковыми.
Оптимальное содержание углерода в стали должно быть 0,5—0,6%. С повышением содержания углерода появляется хрупкость. Чтобы ее понизить, необходимо повысить температуру отпуска, а это снижает прочность. В процессе деформирования напряжения в стали растут все время, поскольку выделяются дисперсные карбиды.
Максимальные напряжения получаются в стали, легированной титаном, молибденом, хромом, ванадием и др.
Чем больше степень деформации, тем больше напряжения; тем больше вероятность выделения карбидов в дисперсной форме. В связи с этим для деталей, подвергающихся НТМО, следует выбирать стали, легированные элементами, образующими дисперсные карбиды.
Применение НТМО сопряжено с трудностями технологического характера, поэтому пока процесс применяется при обработке штанг, полос, лент, а также при штамповке мелких деталей. Из стали, подвергнутой НТМО, изготовляют преимущественно рессорные листы, торсионы, силовые пружины и пр. Делаются попытки штамповать шестерни вместе с зубом, если эти шестерни не подвергаются химико-термической обработке.
Детали, прошедшие НТМО, обладают высокой усталостной прочностью; длительность эксплуатации их повышается в 1,5— 2 раз по сравнению с деталями, изготовленными из той же стали,, но не подвергавшейся НТМО.
Некоторое удорожание стали вследствие ее большей легированное™ компенсируется снижением расходов в производстве и в эксплуатации за счет уменьшения расхода проката, снижения веса деталей, сокращения операций, снижения потребности в запасных частях.
За рубежом процессу НТМО придается большое значение и некоторые фирмы широко используют этот процесс.
При переходе на процесс НТМО в производстве рессор была заменена сталь марки 6150 на сталь Д6А, содержащую 0,5% С, /о Мо, 1% Сг, 0,5% Ni. Вследствие повышения прочности стали
57
Д6А после НТМО количество листов в рессоре было уменьшено с 14 до 8, при этом вес рессоры снизился на 30%, а долговечность ее работы повысилась в несколько раз. В табл. 34 приведены данные, характеризующие выносливость стали 6150 и Д6А.
Таблица 34
Выносливость рессорных листов из стали Д6А/ обработанных НТМО, и из стали 6150 после улучшения
Марка стали	Обработка поверхности рессорных листов	Напряжение в кГ/ммг	Число циклов до разрушения
Д6А Д6А 6150 6150	НТМО без наклепа дробью НТМО, листы шлифованы Улучшение без наклепа дробью Улучшение с наклепом дробыр	140 140 140 160 -	250 000 1000 000 20 000 100 000
Сталь 6150 не может быть подвергнута НТМО, так как при переохлаждении до 550° С не сохраняется аустенитная структура. Сталь Д6А в рессорных листах, будучи подвергнута обработке НТМО без наклепа дробью, в 2,5 раза выносливее, чем сталь 6150 улучшенная и наклепанная дробью.
Шлифование листов рессор удорожает производство, но значительно повышает выносливость рессор, что необходимо иметь .в виду при обосновании технологии производства рессор.
Обработка дробью рессорных листов в деформированном состоянии значительно повышает выносливость даже по сравнению со шлифованными рессорными листами.
Высокотемпературная термомеханическая обработка
Как отмечалось, ВТМО производится при температурах значительно выше Ас . В процессе нагрева необходимо получить максимальную гомогенизацию твердого раствора и имеющиеся карбиды перевести в твердый раствор. В процессе прокатки и охлаждения карбиды выделяются в дисперсной форме как в матрице, так и по границам зерен. Процесс прокатки заканчивается закалкой с последующим отпуском при температуре не выше 250° С. Закалка после прокатки должна производиться через несколько секунд (2—10 сек). Поскольку при ВТМО температура деформации значительно выше, чем при НТМО, степень наклепа получается ниже, карбиды менее дисперсны, в результате чего прочностные свойства, в том числе и усталостная прочность стали получаются ниже.
Исследование стали, подвергнутой термомеханической обработке, показало, что деформация до 80% уменьшает площадь 58
Таблица 35
Влияние степени обжатия на механические свойства стали, обработанной ВТМО
Степень обжатия в %	3? к ь”	os в кГ/мм?	0 «О	Ф В %
Исходное	206	154	2,5	14
состояние				
20	224	172	6,1	25
40	231	188	6,6	29
60	237	195	8,1	30
85	254	213	9,5	31,3
зерен в 8—9 раз, а это соответствует увеличению балла зерна на пять номеров. Установлено, что величина зерна аустенита почти не зависит от температуры деформации.
Увеличение степени деформации при ВТМО приводит к увеличению пластичности. При ВТМО практически степень обжатия применяется в диапазоне 30—40%. Влияние степени обжатия на прочность показано в табл. 35. Сталь подвергалась прокатке при 900—950° С, немедленной закалке и отпуску при 250° С с выдержкой 50 мин [6].
При ВТМО, помимо деформации, имеет значение и температура, при которой произведена деформация. С повышением степени деформации до 40% и снижением температуры прочность возрастает вследствие повышения плотности дислокаций. С повышением температуры отпуска после прокатки плотность дислокаций понижается, поэтому прочность снижается, но пластичность повышается. На ход процесса, как отмечалось, влияет интервал времени между концом деформации и закалкой. После прокатки в среднеуглеродистой стали происходит процесс возврата (в стали 40 за 3 сек, а в стали 55С2 — за 2 сек) и прочность вследствие этого снижается (19].
При увеличении времени выдержки перед охлаждением после деформации наблюдается резкое понижение пластичности вследствие собирательной рекристаллизации.
Эффект ВТМО углеродистой стали получается весьма существенным, что иллюстрируется данными табл. 36. Эффект сохраняется, если сталь подвергается отпуску при температуре, не превышающей 200° С.
Сталь 40, подвергнутая ВТМО и отпуску при 200° С, имеет более высокие прочностные и пластические свойства, чем после обычной обработки; отпуск при 400° С после процесса ВТМО преимуществ не дает. Повышение температуры выше 250° С при отпуске снижает прочность. Поэтому малолегированные стали, подвергнутые ВТМО$ могут быть отпущены только при температуре не выше 200—250° С.
Сталь 40, обработанная ВТМО, после отпуска при 600° С может быть подвергнута механической обработке и после этого закалена и отпущена при 250°C при условии быстрого нагрева и соляной ванне или т. в. ч. В этом случае прочностные свойства,
59
Таблица 36
Механические свойства стали 40, подвергнутой ВТМО, отпуску и улучшению [20]
Процесс обработки	Температура отпуска в °C	°в в кГ'мм2	as в кГ'мм2	8 в %	Ф В %	ан в к Гм/см2
ВТМО		200	201	160	7	40	3,5
Закалка 		200	145	127	2	16	3,0
ВТМО		400	140	125	8	53	8
Улучшение		400	120	112	8	50	8,5
ВТМО		600	101	90	18	60	13
Улучшение		600	98	86	16	61	20
полученные при ВТМО, наследуются, что иллюстрируется данными табл. 37.
Таблица 37
Влияние повторного быстрого нагрева на механические свойства стали 40, обработанной ВТМО и отпущенной цри 600° С
Режим термической обработки стали	°в в кГ'мм2	<rs в кГ мм2	8 в %	Ф в %
Повторная закалка и отпуск при 250° С		184	166 ,	12	53
Обычная закалка и отпуск при 250° С		155	146	-4	25
Такое же явление наблюдается и при ВТМО легированной стали (табл. 38); при этом повышается пластичность.
Таблица 38.
Стабилизация свойств стали 36Г2С, обработанной ВТМО и отпущенной при 400° С после повторного нагрева под закалку в течение 3 мин и отпуска [21]
Процесс обработки	Температура отпуска в °C	ае в к Г мм2	в кГ мм2	8 в %	Ф В %	в кГм'см2
ВТМО		100	221	190	8	46	3,8
ВТМО, отпуск 400° С, механическая обработка, закалка, отпуск .... ВТМО		100	225	193	8	48	3,2
	300	187	163	8	46	6,7
ВТМО, механическая обработка, закалка . .	300	184	168	8	56	9,4
60
Практически установлено, что приобретенные легированной сталью высокие механические свойства при ВТМО сохраняются после высокотемпературного отпуска и повторной закалки только при быстром нагреве. Так, например, это было установлено [5] при обработке стали 37XH3A. В табл. 39 приведены данные, подтверждающие это.
Таблица 39
Механические свойства стали 37XH3A после ВТМО и дополнительной закалки и отпуска при 100° С
Процесс обработки ВТМО	Дополнительная обработка	°в В кГ:ММ2	°s в кГ мм2	8 в %	
Деформация 25% при 950° С, немедленная закалка, отпуск при 100° С	Отпуск при 500° С в течение 30 мин; закалка с 900° С при нагреве в течении 2 мин; отпуск при 100° С	246 247	174 171	29	9 5
Деформация 50% при 950° С,. закалка немедленная, отпуск при 100° С	Отпуск при 500° С в течение 30 мин; закалка с 900° С при нагреве в течение 2 мин; отпуск при 100э С	245 245	175 160	20 24	8 8
Данные этой таблицы подтверждают возможность сохранения высоких прочностных и пластичных свойств, полученных в результате ВТМО при быстром нагреве под закалку, даже после предварительного отпуска при 500° С, что можно объяснить сохранением мелких зерен, полученных при деформации.
Установлено, что при деформации повышается усталостная прочность. Так, сталь 55ХГР после ВТМО при обжатии 50% и отпуске при 250° С повысила выносливость по сравнению с улучшенной сталью в 9 раз [9].
Необходимо обратить внимание на то, что сохранение высоких прочностных свойств при повторном нагреве после ВТМО наблюдалось при обработке легированных сталей при условии быстрого нагрева под закалку.
В работе Р. И. Щукюрова [26] показано, что, легируя кремнистую сталь 55С2 дополнительно молибденом или хромом и получая стали марок 55С2М и 55С2Х, можно сохранить прочностные свойства стали, обработанной ВТМО при отпуске до WC, после повторного нагрева и закалки. При этом прочностные свойства этих марок стали получаются после ВТМО выше, нем стали 55С2. Объяснить это можно устойчивостью фрагмен
61
таций блочной структуры стали и наличием дисперсных карбидов.
Приведенные примеры показывают, что в ряде случаев можно сохранить высокие прочностные свойства стали, приобретенные ею в процессе ВТМО. Это обстоятельство является весьма важным для широкого внедрения обработки ВТМО при изготовлении тонких, главным образом листовых и круглых деталей. Некоторое удорожание производства окупается эффектом в эксплуатации (особенно при эксплуатации рессор и пружин автомобилей и тракторов).
Вместе с этим следует оказывать должное внимание и процессу НТМО, особенно в сочетании в ВТМО.
Промежуточная термомеханическая обработка
*
При холодной деформации отожженной стали возникает повышенная плотность дислокаций, вследствие чего прочность стали возрастает.
Если в процессе волочения стали применить после каждого прохода нагрев до 400° С, то прочностные свойства полученного профиля будут значительно выше, чем без этой промежуточной тепловой обработки, вследствие более равномерного распределения дислокаций.
Если производить межоперационный нагрев выше 400° С, то устойчивость дислокаций при последующем нагреве, под закалку снижается и поэтому сохранения полученных высоких свойств прочности и пластичности достичь невозможно.
Если применить быстрый нагрев после ПТМО и закалить сталь, то ее свойства будут выше, чем у стали, не подвергавшейся ПТМО, но также закаленной и Таблица 40 отпущенной при низкой темпе-
Влияние комбинированной ТМО	р ату ре.
на ударную вязкость стали 37XH3A
Отпуск		Ударная вязкость в кГмсм2	
Температура в °C	Выдержка в ч	НТМО	ВТМО + + НТМО
650	12	7,5	10,2
650	1	3,0	9,8
550	1	2,2	7,3
Комбинированный процесс термомеханической обработки
В. Д. Садовским с сотрудниками предложен так называемый комбинированный процесс термомеханической обработки, заключающийся в том,
что после ВТМО детали подвергаются НТМО. В результате значительно повышается ударная вязкость по сравнению с обработкой НТМО (табл. 40).
62
Перспектива внедрения процессов ТМО
Рассмотрение различных методов термомеханической обработки позволяет сделать вывод, что можно коренным образом изменить существующие технологические процессы термической обработки стали, получить большой экономический эффект, повысить долговечность работы деталей, снизить расход металла в. случае применения этих методов обработки.
Ограничивает распространение процессов ТМО то, что процессы НТМО и ВТМО могут быть использованы только при обработке профилей небольшого сечения вследствие неравномер' ной деформации стали по сечению и сложности процесса ВТМО, при котором требуется подавление процесса рекристаллизации тотчас после деформирования. Для применения процесса НТМО/ требуется сталь, склонная к переохлаждению до температуры промежуточной зоны. Несмотря на эти обстоятельства, находят-применение например, следующие процессы:
1) процесс ВТМО при производстве труб из стали 36Г2С и 38ХНМ путем внесения операции охлаждения тотчас после прокатки;
2) процесс НТМО для деталей подшипников из хромомолиб-денованадиевой стали состава 0,8% С; 4% Сг; 1% Мо и 1% Vt в результате усталостная прочность деталей подшипников повысилась более чем в 3 раза.
Перспектива широкого внедрения процессов ТМО в металлургической и машиностроительной промышленности зависит от: подбора технологичных и недефицитных сталей.
Таблица 41
Химический состав стали различных марок, подвергнутых НТМО
Условные плавки стали	Содержание элементов в %						
	С	Мп	Si	Сг	Ni	V	Мо
А	0,33	1,05	1,03	1,86	2,33	1,03	0,47
Б	0,48	1,23	1,04	1,52	2,18	1,02	0,46
В	0,43	1,17	0,40	1,95	2,50	1,16	0,47
Г	0,54	1,31	1,33	1,56	2,36	1,01	0,51
д	0,43	0,74	0,80	1,00	3,00	1,00	—
Е	0,36	0,52	0,62	0,91	2,29	0,98	—
В табл. 41 прщедены химические составы сталей различных марок, которые были исследованы на предмет определения влияния НТМО на их прочностные свойства [13].
Стали А—Г подвергались аустенизации при 1000° С, а Д—Е при 900° С и перед деформацией охлаждались в селитровой ванне
63,.
до температуры деформации, деформировались и затем закаливались в масле и отпускались. При деформации на 90% при температуре 500—550° С и отпуске 100° С в течение 4 ч, как показали исследования, у стали плавок А, В, Д, Е предел прочности при повышении содержания углерода до 0,5% достигал 280— 300 кГ/мм2 при удлинении 6—8%. Дальнейшее повышение содержания углерода приводило к снижению прочности. Этот пример указывает на возможность повышения предела прочности до 300 кГ1мм2 при удовлетворительных пластических свойствах. Особенно эффективной оказывается сталь, выплавленная под вакуумом.
Так, например, сталь марки 40ХН5С, выплавленная под вакуумом и обработанная НТМО, при обжатии на 65—75% имела прочность 330 кГ1мм2. Выплавленная же обычным мартеновским процессом и подвергнутая НТМО эта сталь имела прочность всего 212 кГ/мм2. Высокие показатели прочности и пластичности вакуумированной стали 40ХН5С сохранились и'после отпуска при 220°С: Ge = 330 кГ1мм2\ os = 260 кГ1мм2\ 6 = 6%; ф, = 35%.
Исследованиями большого количества плавок хромоникель-кремнистой стали (содержание кремния 1,43—1,70% при содержании углерода 0,28—0,57%) установлено, что в результате НТМО при температуре отпуска 220° С предел прочности повысился с 210 до 280 кГ!мм2, относительное удлинение — с 5 до 8% и относительное сужение — с 10 до 50%. Обработка велась в два этапа: первоначально деформация при 535° С, а'затем при 315° С с обжатием до 30%. При повышении обжатия сверх,30% наступала хрупкость вследствие образования игольчатого троостита.
Установлено, что в результате НТМО была получена максимальная усталостная прочность о-i = 117,4 кГ1мм2. По литературным данным, такая усталостная прочность не была получена при каком-либо другом способе химико-термической или термической обработки.
Процесс НТМО можно применять при ковке, высадке, прокатке и штамповке.
Как показали исследования, сохранение высоких показателей прочности и пластичности сталями, подвергнутыми ВТМО, после высокотемпературного отпуска и закалки зависит от степени деформации аустенита, плотности дефектов и блочной структуры. Исследования стали марки 55ХГР подтвердили это [9]. Сталь подвергали обжатию на 15; 25 и 50%, при этом было установлено, что при всех степенях обжатия предел прочности при разрыве повысился с 205 до 222 кГ1мм2, относительное сужение — с 4 до 18%, а выносливость — с 52 до 63 кГ!мм2. После обработки ВТМО при обжатии 15% и после отпуска при 650°С, повторной закалки и отпуска при 250° С предел прочности при разрыве был получен 220 кГ1мм2, т. е. не изменился, а относительное сужение повысилось до 28%, выносливость понизилась с 63 до 58 кГ)мм2.
»64
Значительное повышение пластичности объясняется измельчением структуры после повторной термической обработки.
Необходимо отметить, что нагрев под закалку следует вести быстро, предпочтительнее т. в. ч. Приведенный пример указывает на необходимость подбора стали для ВТМО так же, как и для НТМО.
Таким образом, вопрос о сохранении прочности, полученной при ВТМО, благоприятно решается в случае обработки легированных сталей; при этом предел прочности при растяжении повышается почти на 40%, а пластичность возрастает в 2—3 раза.
Следует отметить, что процесс ВТМО еще недостаточно полно изучен и поэтому обобщение выводов трудно сделать столь определенно, как это можно сделать в отношении процесса НТМО. Сравнение процессов ВТМО и НТМО в отношении их технологичности и максимального эффекта указывает на то, что: а) процесс НТМО позволяет получить предел прочности при растяжении до 330 кГ1мм\ а предел выносливости до 117,5 кГ)мм2\ процесс не применим для обработки углеродистых и малолегированных сталей; б) процесс ВТМО позволяет получить предел прочности при растяжении до 270 кГ)мм2, а предел выносливости до 65 кГ/мм2. Процесс применим как для обработки углеродистых, так и легированных сталей. Процесс осложняется необходимостью подавления рекристаллизации тотчас после деформации.
Восстановление высокой прочности легированной стали после ВТМО и высокотемпературного отпуска возможно после кратковременного нагрева под закалку и закалки. Изотермическая закалка стали после термомеханической обработки неприменима, так как исчезает блочность и фрагментация субструктуры.
ТЕХНОЛОГИЯ ТЕРМИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКИ ЗАГОТОВОК И ДЕТАЛЕЙ МАШИН
Технология термической обработки штамповок для подготовки структуры к операциям механической обработки
От качества поверхности деталей после механической обработки (резание) зависит отчасти деформация их при термической обработке и вследствие этого долговечность работы деталей, так как чем грубее обработка поверхности, тем больше наклеп металла в слоях близ поверхности и, как следствие, тем больше деформация изделий. Шероховатость поверхности металла в результате обработки резанием зависит от структуры. Структура влияет на расход инструмента, скорость обработки и на долговечность работы станков.
5 Заказ 849	§5
Рассмотрение данных, помещенных в табл. 42, указывает на весьма большое разнообразие случаев, встречающихся в производстве при обработке деталей резанием на металлорежущих станках.
Данные, помещенные в этой таблице, получены при обработке стали марки 40Х.
Наиболее часто штамповки, подготовленные для механической обработки, имеют дифференцированную перлито-феррито-вую структуру. Такая структура получается после отжига или нормализации в зависимости от марки стали. Углеродистые и малолегированные стали подвергаются нормализации, а легированные— предпочтительно изотермическому отжигу. После отжига получается структура пластинчатого перлита, состоящая из феррита и пластинок цементита. После изотермического отжига структура состоит из феррита и зернистого цементита.
При интенсивном охлаждении при- нормализации струями воздуха и пара получается сорбитообразный перлит и феррит. Для получения чистой поверхности при скорости резания 70 м!мин лучшей структурой стали 40Х является сорбитовая структура. Эта структура получается в результате закалки и высокотемпературного отпуска.
Однако при обработке стали с такой структурой стойкость инструмента понижается, поэтому сорбитовая структура рекомендуется в штамповках при небольшом выпуске изделий. В условиях массового производства для получения высокого качества поверхности штамповки следует подвергать отжигу и после предварительной обработки резанием улучшить, а затем обрабатывать до окончательных размеров.
При рассмотрении данных табл. 42 можно установить ряд положений общего характера. Так, стойкость инструмента при токарной обработке получается максимальной, если штамповки были подвергнуты изотермическому отжигу, в результате которого была получена структура, состоящая из феррита и перлита, но по всем остальным операциям обрабатываемость низкая. Удовлетворительные и хорошие результаты получаются на всех операциях обработки штамповок, подвергнутых полному отжигу или нормализации при интенсивном охлаждении штамповок.
В качестве примера применения изотермического отжига приводим режим отжига штамповок шестерен из стали 25ХГМТ. Процесс ведется в две стадии: 1) нагрев до 900—950° С, выдержка при этой температуре в течение 2—3 ч, в зависимости от загрузки, 2) быстрое снижение температуры до 600—650° С и выдержка при ней тоже 2—3 ч, После этого штамповки подсту-живаются до 400—450° С и выгружаются в тару.
Вторым примером может служить следующий режим обработки: штамповки с температуры конца штамповки помещаются 66
СП
Таблица 42
Влияние особенностей структуры стали на различные показатели обрабатываемости (сталь 40Х)
Показатель обрабатываемости 1	Особенности структуры стали						
	Зернистый перлит 4- феррит	Пластинчатый перлит + + феррит	Много феррита в виде крупных зерен или ферритная строчечность	Очень мелкое зерно перлита при относительно большом количестве феррита	Сорбитообразный перлит (очень тонкие пластинки цементита)	Сорбит с невысокой твердостью	Сорбит с высокой Твердостью
Стойкость обдирочных инструментов из быстрорежущей стали и твердосплавных инструментов (при скоростном резании) Стойкость отделочных инструментов из быстрорежущей стали (зуборезные долбяки, протяжки, метчики, развертки) Шероховатость поверхности при работе с низкими скоростями резания (для отделочных инструментов из быстрорежущей стали) Шероховатость поверхности при работе с относительно высокими скоростями резания (более 70 м'мин) Величина сил резания и склонность к вибрации Налипание обрабатываемого металла на задние поверхности инструментов Устойчивость размеров деталей при обработке на токарных автоматах Отвод стружки при обработке на токарных автоматах и многорезцовых станках Заусенцы после обработки 1	Преимущества зернистого перл содержится в стали углерода и леги] 2	Указанная разница в стойкости родистых и высоколегированных CTaj 2	Для среднеуглеродистых и мал	Самая высокая Низкая Плохая Очень хорошая Большая Большое9 Плохая9 Затрудненный Большие ита перед i рующих эле отделочных left может и юуглеродист	Удовлетворительная (ниже, чем для зернистого перлита)1 Высокая9 Хорошая Хорошая Относительно небольшая Незначительное Хорошая Хороший Небольшие пластинчатым i ментов. : инструментов меть место обр; ых сталей.	Удовлетворительная Низкая Плохая Удовлетворительная Относительно небольшая Большое Плохая Затрудненный Большие з отношении ci наблюдается пр атное соотношен	Удовлетворительная Низкая Плохая Удовлетворительная Повышенная Большое Плохая Затрудненный Большие ойкости обдир0 >и обработке с; ие.	Пониженная Удовлетворительная Хорошая Хорошая Относительно небольшая Очень незначительное Хорошая Хороший Небольшие чных инструмен' >еднеуглеродист1	Низкая Низкая Плохая Очень хорошая Большая Значительное Удовлетворительная Удовлетворительный Значительные гов тем больше, ых сталей. Для	Очень низкая Очень низкая Очень хорошая Очень хорошая Большая Нет Хорошая Хороший Небольшие чем больше высокоугле-
в соляную ванну, имеющую температуру 650° С, и выдерживаются в течение 60 мин, а затем охлаждаются на воздухе. Для массового производства для обработки штамповок из среднеуглеродистых легированных марок стали можно рекомендовать либо изотермический отжиг, либо нормализацию с интенсивным охлаждением.
Однако многое зависит от состава стали. Так, при содержании углерода 0,35% (цементируемые стали) высокая стойкость инструмента будет достигнута, если сталь будет иметь структуру пластинчатого перлита; шероховатость поверхности после обработки получается удовлетворительная. Хорошие результаты по шероховатости поверхности таких сталей получаются, если структура стали состоит из смеси пластинчатого и зернистого перлита, что достигается при отжиге на зернистый перлит; такая структура получается при отжиге доэвтектоидных сталей.
Часто стали, содержащие карбидообразующие элементы (ванадий, титан, молибден), имеют структуру зернистого перлита и дают наилучшие результаты по стойкости режущего инструмента, а хорошую шероховатость поверхности они обеспечивают при структуре пластинчатого перлита.
Таким образом, можно сделать вывод, что при хорошей обрабатываемости стали не всегда получается хорошее качество поверхности. Если требуется то и другое, необходимо производить термическую обработку поковок в два и три приема, подвергая в промежутках заготовки либо отжигу, либо нормализации или улучшению.
В каждом отдельном случае должны быть сЬставглены технические условия на структуру обрабатываемой детали и режим механической обработки при применении соответствующего качества режущего инструмента.
Технология термической обработки крупных штамповок
Термическая обработка крупногабаритных штамповок и изделий из них является трудоемкой операцией в связи с затратой большого времени на нагрев и охлаждение. Для нагрева используются специальные печи. Как правило, эти печи с выдвижным подом или колпаковые, подина которых прикрывается колпаком из жаростойкой стали, футерованным шамотным или магнезитовым кирпичом или без футеровки, если температура не превышает 600° С. В этом случае колпак изолируется с внешней стороны материалами, слабо проводящими тепло. Обычно загружаемые детали или штамповки устанавливаются на специальные приспособления, а оси подвешиваются для уменьшения коробления. Нагрев производится со скоростью 25—50° С в час в зависимости от марки стали.
68
Легированные стали имеют более низкую теплопроводность, чем углеродистые, поэтому во избежание образования трещин нагрев штамповок должен производиться медленнее, чем штамповок из углеродистой стали. Рекомендуется ступенчатый нагрев с целью снижения тепловых напряжений, возникающих при быстром перепаде температур. При быстром охлаждении штамповок опасность образования трещин исключается, поскольку в металле имеется большой запас тепла, который непрерывно компенсирует потери тепла поверхностями штамповок при охлаждении.
Однако для исключения местных высоких напряжений в сложных штамповках в местах перехода от тонких сечений к толстым рекомендуется таковые охлаждать в соляных ваннах или в горячем масле.
Целесообразно крупногабаритные штамповки подвергать изотермическому отжигу, заключающемуся в аустенизации при 850—950° С, в зависимости от состава стали, и охлаждении при 600—650° С с выдержкой до полного распада аустенита.
Поскольку нагрев крупногабаритных штамповок и изделий из них происходит весьма длительное время, необходимо принимать меры против окисления и обезуглероживания поверхности металла. Наиболее эффективно с этой целью применение контролируемых защитных газовых атмосфер: эндотермической при высокотемпературном нагреве и экзотермической для низких температур (ниже 700°С).
При закалке крупногабаритных штамповок и изделий из них рекомендуется после охлаждения в масле немедленно помещать их в отпускную печь, имеющую температуру, при которой должен проводиться отпуск. Охлаждение в масле проводится до температур не ниже 100—150° С с целью исключения образования закалочных трещин в местах, где могут возникнуть напряжения.
Режим отпуска зависит от марки стали и технических условий. Так, коленчатые валы дизелей мощностью 350 л. с. из стали 38ХНВА, имеющие диаметр шейки вала 150 мм, после закалки рекомендуется подвергать отпуску при 550° С в течение 6 ч\ при этом ударная вязкость получается 8 кГм!см2. Удлинение времени отпуска до 12 ч повышает ударную вязкость до 12 кГм)см2 при сохранении тех же показателей прочности, что и при выдержке в течение 6 ч [2].
Сталь не склонна к отпускной хрупкости, но она склонна к флокенообразованию. Для предотвращения флокенообразования сталь подвергают отжигу по следующему режиму: нагрев до 650° С, выдержка б*ч, повышение температуры до 870° С, выдержка 15 ч, охлаждение до 220° С выдержка 7 ч, повышение температуры до 650° С выдержка 20 ч, затем медленное охлаждение с печью до 100° С. Продолжительность процесса 105 ч, твердость НВ 269.
69
Описанный выше процесс отжига крупногабаритных штамповок с использованием ковочного тепла позволяет значительно сократить процесс с тем же эффектом в отношении флокенов.
После предварительной механической обработки с припуском на окончательную обработку 5 мм на диаметр шейки вала, валы подвергают улучшению (закалке в масле при нагреве до 860° С и отпуску при 540°С с охлаждением на воздухе). Далее следует окончательная механическая обработка вала и азотирование.
Технология термической обработки рессор и пружин
Рессоры и пружины испытывают в работе знакопеременные нагрузки при большом числе импульсов, вследствие чего металл, применяемый для их изготовления, должен обладать высоким пределом текучести, высокой релаксационной стойкостью и усталостной прочностью (выносливостью) В этом отношении марки стали, применяемые для изготовления рессор и пружин (65, 60Г, 60С2, 55С2), в ряде случаев не отвечают предъявляемым требованиям в отношении надежности работы рессор, так как они не обладают высокой выносливостью, поскольку склонны к перегреву, особенно кремнистые, и обладают небольшой сопротивляемостью малым пластическим деформациям. Более качественными являются стали, легированные хромом, ванадием и другими элементами (50ХГФ, 60С2ХФА, 50ХФА). При правильном выборе стали повышается долговечность рессор и пружин, в соответствии с чем некоторое удорожание стали компенсируется долговечностью работы машин.
В табл. 43 и 44 приведен химический состав рессорно-пружинных сталей, применяемых в СССР и за рубежом. Сравнение зарубежных марок стали с применяемыми в СССР показывает, что стали, применяемые в Чехословакии и ФРГ, имеют верхний предел содержания углерода более высокий (0,80%), чем отечественный— 0,60—0,65% (60С2, 55С2). Кремний как легирующий
Таблица 43
Химический состав в % рессорно-пружинных сталей, применяемых в СССР
Марка стали	с	Si	Мп	Сг	V
65	0,62—0,70	0,17—0,37	0,5—0,8	0,25		
65Г	0,62—0,70	0,17—0,37	0,9—1,2	—.	—
60С2А	0,56—0,64	1,60—2,00	0,6—0,9	—	—
50ХГА	0,46—0,54	0,17—0,37	0,8—1,1	0,8—1,2	—
50ХФА	0,46—0,54	0,17—0,37	0,5—0,8	0,8—1,1	0,1—0,2
50ХГФА	0,48—0,55	0,17—0,37	0,8—1,0	0,95—1,2	0,15—0,25
60С2ХФА	0,56—0,64	1,4—1,8	0,4—0,7	0,90—1,2	0,1—0,2
70
Таблица 44
Химический состав (в %) рессорно-пружинных сталей, применяемых за рубежом
Марка стали	С	Si	Мп	Сг	Другие элементы	Страны, применяющие сталь
9255 9262 Еп47 Еп50 55W6 45SCD6 45SW8 14260 14281 60SiMn5 67SiCr5 50CrV4 7 1 Si7	0,50—0,60 0,55—0,65 0,45—0.55 0,40—0,50 0,52—0.58 0.42—0,50 0,40—0,50 0,50—0,60 0,70—0,80 0,55—0,65 0,62—0,72 0,55—0,62 0,68—0.75	1,80—2,20 1,80—2,20 0.50 0. 10—0,35 1,60—1,90 1,25—1 . 75 1,60—2. 10 1.30—1,60 0.20—0,35 1,0—1,3 1,2—1.4 0. 15—0,35 1 , 50—1.80	0,70—0,95 0,75—1,00 0,50—0,80 0,50—0,70 0,60—0,90 0.50 0.40—0.80 0.50—0,80 1,00—1,50 0,90—1 , 10 0,40—0,60 0,80—1, 10 0,70—1,00	0,25—0,40 1,00—1,50 0,70—0,90 0,50 0,50—0,70 0,70—1,00 0,40—0,60 0,90—1,20	0,15V 0,15V 0,2—0. ЗМо 0,40Мо0,5W 0,07—0,12V	США » Англия Франция » Чехословакия ФРГ » » »
элемент применяется в США в одинаковом диапазоне с отечественным 1,8—2,2%.
Во Франции применяется Мо и V для легирования пружинных сталей. В числе сталей рессорных и пружинных необходимо отметить сталь 50ХФА, стойкую против перегрева, что иллюстрируется цифровыми данными, приведенными в табл. 45 [26].
Таблица 45
Влияние температуры закалки на механические свойства стали 50ХФА
Температура закалки в °C	в кГ/мм*	а0, 2 в кГ!мм*	& в %	Ф в %	ан в кГм'см*
850	201	166	4,6	10,2	3,7
950	207	168	5,3	19,5	3,9
1050	205	167	5,2	18,8	3,7
В состоянии поставки поверхность рессорных полос должна быть чистой — без окалины, рисок, волосовин, особенно поперечных, так как все эти дефекты являются концентраторами напряжений и понижают предел выносливости. Даже поперечные риски, образующиеся при шлифовании полос и прутков, идущих на изготовление рессор и пружин, являются концентраторами напряжений и по ним происходят разрушения от усталости металла. В соответствии с этим рекомендуется после шлифования полос и прутков подвергать их полированию.
Наиболее технологичным является электролитическое полирование. Затраты, которые связаны с этим процессом, окупаются долговечностью и надежностью работы изделий в эксплуатации.
71
Предел выносливости резко снижается при обезуглероживании поверхности и концентраторах напряжения, например надрезах, что подтверждают следующие данные:
Влияние дефектов поверхности стали на выносливость
Состояние образцов
Предел выносливости 0—1 в кГ/мм*
Полированные................................ 67
Надрезанные (образцы Фридмана).............. 50
Обезуглероженные и полированные............. 33
Надрезанные после обезуглероживания.........	21,5
Весьма эффективно действует наклеп дробью на повышение предела выносливости рессор и пружин. На рис. 33 и 34 изображены схемы установок для обработки дробью рессорных листов
Рис. 33. Схема установки наклепа рессорных листов дробью
и пружин. Обработка дробью производится после термической обработки. В результате обработки дробью возникают в поверхностных слоях металла сжимающие напряжения, которые достигают на глубине 5 мм более 100 кГ1мм2.
Упрочнение дробью — распространенный процесс; имеются рекомендации по выбору материала дроби, ее размеров, а также 72
давления, при котором дробь деформирует металл. Эффективность применения упрочнения дробью подтверждается данными, приведенными ниже.
Влияние упрочнения дробью на повышение усталостной прочности деталей
Увеличение числа цик-
Наименование деталей	лов до разрушения в %
Поворотные кулаки ................................ 475
Коленчатые валы................................... 900
Спиральные пружины.............................. 1370
Валы среднего размера диаметром до 100 мм . .	520
Шестерня из стали 20Х2Н4А модуля 10 мм . .	500
Цапфа из стали 40Х................................ 250
Цапфа из стали 40ХНМА............................. 350
Шаровая опора и? стали 45 ....................... 400
Шаровая опора из стали 40ХНМА..................... 500
Для обработки рессорных листов и пружин применяют стальную дробь диаметром 0,3 мм. Скорость перемещения рессорных листов и длительность наклепа устанавливают экспериментально. В процессе обработки необходимо добиваться равномерного
73
покрытия поверхности лунками, образующимися при ударе дробинок; чем мельче дробь, тем больше эффект упрочнения.
Контроль качества обработки дробью осуществляется по методу Олсена, основанному на измерении деформации контрольной пластинки. Предельной степенью наклепа дробью будет та
Рис. 35. Влияние различных способов упрочнения рессорных листов на выносливость:
кое состояние, когда контрольная пластинка покажет начало уменьшения стрелы прогиба.
Наиболее эффективна обработка абразивом, взвешенным в жидкости. Такая обработка носит название гидроабразивной обработки. Обычно применяется корунд, взвешенный в воде. Смесь подается на упрочняемую ,поверхность под действием сжатого воздуха. По сравнению с обработкой дробью наклеп карборундом повышает предел выносливости на 40—50%.
Необходимо особо отметить влияние на предел выносливости азотирования,
1 — обычная термическая обработка; 2 — то же, с наклепом дробью; 3 — закалка •с нагревом т. в. ч.; 4 — то же с наклепом дробью; 5 — шлифованная поверхность после закалки и отпуска; 6 — то же с наклепом дробью; 7 — изотермическая закалка; 8 — то же с наклепом дробью; 9 — обычная закалка, наклеп дробью в деформированном состоянии при выгибании листа
работки рессорных полос может
которое'не только упрочняет сталь, но и предохраняет поверхность от коррозии в атмосферных условиях. Этот процесс рекомендуется применять при упрочнении пружин.
Процесс термической об-быть осуществлен по трем ва
риантам:
1) наиболее эффективный вследствие сокращения времени и
повышения предела выносливости нагрев под закалку рессорных листов т. в. ч. и последующая изотермическая закалка;
2) нагрев рессорных листов в печи и последующая изотермическая закалка;
3) нагрев рессорных листов в печи, закалка в холодном масле с последующим среднетемпературным отпуском на троостит.
Во всех случаях после термической обработки рессорные листы подвергаются упрочнению дробью. Максимальный эффект от упрочнения дробью достигается при упрочнении в деформированном состоянии: лист выгибается до положения, параллельного
74
Время
Рис. 36. Диаграмма изотермического распада стали 55С2
столу станка, и в таком состоянии упрочняется дробью. Исследования показали, что сталь, обработанная таким способом, выдерживает около 1,5 млн. циклов при испытании на усталость, а сталь недеформированная, обработанная также дробью, выдерживает всего 70 тыс. циклов. На рис. 35 изображена диаграмма, характеризующая усталостную прочность рессорных листов, подвергнутых различным режимам обработки. При всех вариантах термической обработки рессорных листов и пружин следует применять автоматизацию управления как процессом нагрева, так в перемещения, включая передачу нагретых листов в закалочное устройство.
Особое значение для повышения качества рессор и пружин имеет изотермическая обработка. Однако следует иметь в виду, что она неприменима для стали, подвергнутой ВТМО, поскольку при медленном охлаждении исчезает фрагментация в структуре. • На рис. 36 изображена диаграмма изотермического превращения стали 55С2. При выборе стали для изотермической обработки следует иметь в виду,
что излишнее легирование приводит к увеличению инкубационного периода и задержке превращения аустенита в бейнит, что делает сталь нетехнологичной. Коротким инкубационным периодом обладает рессорно-пружинная сталь марки 60С2ХФА.
Установлено, что содержание углерода в стали, подвергающейся изотермической обработке, не должно превышать 0,65%, так как при большем содержании углерода понижается ее ударная вязкость. Изотермическая обработка рессорно-пружинных сталей повышает их пластичность при высоком пределе текучести, что благоприятно влияет на выносливость рессор и пружин.
Технологичность процесса изотермической обработки проявляется в том, что рессорные листы и пружины сохраняют стрелу прогиба (листы) и высоту (пружины), приданные им в процессе формовки, что свидетельствует о высоком пределе упругости стали. Согласно техническим условиям рессорно-пружинная сталь должна иметь в термически обработанном состоянии твердость HRC 42—47 (НВ 400—450). В соответствии с диаграммой изотермического превращения лист толщиной 6—8 мм стали 60С2ХФА получает эту твердость при изотермической выдержке при 300—350° С в течение 15 мин (рис. 37).
75
Новейшая технология изготовления рессор основывается на применении термомеханической обработки полос в процессе прокатки. За рубежом отдают предпочтение процессу НТМО, в Советском Союзе — ВТМО. Эти процессы следует применять и в производстве пружин. В обоих случаях должна быть применена специальная сталь.
В применения ВТМО привести процесс ботки рессорных [15]. Полосы из 55ХГР размером X 63 мм и 9,5 X 76 мм'. подвергали предварительно прокатке с обжатием 75%. Рессорные листы, нарезанные из
Рис. 37. Диаграмма изотермического распада стали 60С2ХФА
качестве примера можно-обра-полос стали.
7,5 X
Охлаждающая среда после прокатки	д и ф о	* 0 СМ О О	S в %		Ф в %
Воздух .... Вода'	 Масло	 Обычная закалка в масле с 800° С, отпуск при 520° С после закалки . .	240 258 238 145	218 235 221 120	6,5 7,0 6,5 8	18 18,5 22 25
полос, подвергали высокотемпературному отпуску и затем после механической обработки закаливали быстро нагревая и отпускали при 200° С.
В результате 75% обжатия и	Таблица 46
указанной термической обра- Механические свойства стали 55ХГР ботки прочность стали 55ХГР ПРИ различных условиях охлаждения юп па после прокатки обжатием 75% повысилась со	190 до ________ г	/и
240 кГ1мм2. Установлено, что при обжатии 25%) прочность стали уже повышается. Необходимо отметить, что температура конца обжатия была ниже 950° С. Повышение температуры выше указанной приводит к собирательной рекристаллизации, а это снижает прочность.
В табл. 46 приведены механические свойства рессорных полос из стали 55ХГР, полученные при ВТМО и после обычной термической обработки.
Данные таблицы показывают на значительное повышение механических свойств стали
55ХГР, подвергнутой ВТМО, по сравнению со сталью той же марки, обработанной обычным процессом.
К тому же предел выносливости стали 55ХГР, обработанной ВТМО, в несколько раз выше, чем при обычном термическом упрочнении.
76
После высокотемпературного отпуска (500° С) с целью улучшения механической обработки, закалки при 830° С, при быстром нагреве т. в. ч. и отпуске при 250° С сталь имела следующие механические свойства: св = 230 кГ1см\ 6 = 7%, г|? = 25%. Рентгеноструктурный анализ подтвердил устойчивость тонкой структуры.
Оборудование рессорных цехов состоит из печей, станков для закалки листов и дробеметных установок. В случае применения индукционного нагрева закалочные печи исключаются. Печи применяются проходные, с радиационным нагревом, электрические
Рис. 38. Печь для закалки рессорных листов или газовые, в рабочее пространство которых вводится контролируемая атмосфера для защиты поверхности металла от окисления и обезуглероживания. На рис. 38 изображена типовая печь.
Отпускные печи имеют панцирный конвейер, поскольку необходимо ставить листы на ребро для равномерного прогрева.
Закалка производится в специальных устройствах барабанного или конвейерного типа, а также в прессах для одновременной формовки и закалки комплекта листов.
Барабан или конвейер помещен в баке с маслом. На барабане или конвейере смонтированы штампы, соответствующие размерам листов. В одной установке обычно закаливается комплект листов рессоры. На рис. 39 изображен штамп обычного типа. Лист, помещенный в штамп., зажимается между верхней и ниж-
77
ней половинами и в горячем состоянии выгибается, а затем штамп с зажатым листом опускается в масло, где происходит охлаждение листа со скоростью, обеспечивающей полную закалку по всему сечению листа. Закаленный лист автоматически выдается на разгрузочный конец бака, затем либо вручную или с помощью автоматических механизированных рук передается в отпускную печь. После отпуска лист поступает в бак с водой для охлаждения с целью предотвращения отпускной хрупкости в сталях, склонных к возникновению таковой, и для того, чтобы на сборочном конвейере произвести без задержки сборку рессоры.
Рис. 39. Штамп для формовки рессорных листов
Рис. 40. Контрольная установка для проверки стрелы прогиба листа
Для минимальной деформации листов в отпускной печи их помещают в фиксаторы, не позволяющие деформироваться им за пределы установленных допусков. Поэтому исключается всякая доводочная операция. По окончании сборки рессоры проверяются по стреле прогиба под прессом при определенной нагрузке. Для контроля отдельных листов на степень упругости применяют установки, подобные изображенной на рис. 40.
На основании приведенного материала, апробированного в производственных условиях, можно рекомендовать модернизировать существующий технологический процесс производства рессор, который чаще всего состоит из закалки рессорных листов в. масле с последующим отпуском и упрочнением дробью.
Для повышения эффективности работы рессор следует кремнистые стали марок 55С2 и 60С2 заменить легированными сталями марок 55ХГР, 50ХГФ, 50ХФА, предпочтительнее 60С2ХФА, 78
применение которых позволит эффективно использовать изотермическую закалку. Сталь 602СХФА содержит кремний, который повышает предел упругости и увеличивает релаксационную способность стали.
Указанные марки могут быть использованы как при ВТМО, так и НТМО рессорных полос, так как необходимо рессорные листы в процессе обработки подвергать высокотемпературному отпуску и сохранять высокие прочностные и пластические свойства после последующей закалки и низкотемпературного отпуска.
Технологический процесс термической обработки должен быть изменен путем внедрения индукционного нагрева для закалки, так как это согласуется с особенностью превращений в стали, подвергнутой ВТМО, и обеспечивает самый короткий нагрев перед закалкой.
Обычный процесс термической обработки стали, без предварительной обработки ВТМО, также может быть модернизирован за счет внедрения процесса изотермической закалки, при этом можно применить индукционный нагрев для закалки. В этом случае исключаются закалочные и отпускные печи; цех коренным образом изменяется и превращается в современный цех с весьма хорошей аэрацией и без теплоизлучения, которое создает тяжелые условия работы при печном нагреве рессорных листов.
Особенно эффективен переход на стали дисперсионнотвердею-щие с применением процесса НТМО, поскольку упростится технологический процесс и в большой степени повысится надежность и долговечность работы рессор.
Имеются производственные данные, подтверждающие экономичность применения процесса ВТМО с меньшим эффектом, чем НТМО, но все же весьма существенным, поскольку например, оказалось возможно при применении стали марки 55ХГФА снизить количество листов в рессоре с 16 до 9 и повысить долговечность работы рессор в несколько раз [15].
Следует закалочные барабанные установки заменить на конвейерные для стабилизации деформации и получения точной стрелы прогиба листа после закалки.
Исследования влияния так называемой «тренировки» рессорных листов путем предварительной деформации (выгибание листов до горизонтального положения) перед обработкой дробью, а также упрочнение их не дробью, а гидроабразивной обработкой показало максимальную выносливость даже в сравнении с рессорами^изготовленными из стали, подвергнутой ВТМО. Наклеп весьма эффективно сказывается на повышении выносливости благодаря деформации поверхностных слоев стали (рис. 41) и созданию сжимающих напряжений. В соответствии с этим целесообразно применить этот метод обработки рессорных полос из стали, не подвергавшейся термомеханической обработке. Вместе с этим для повышения долговечности рессор и пружин необ-
79
ходимо перейти на изготовление их из стали, рафинированной синтетическим шлаком (рессоры), даже из стали вакуумирован-
ной (ответственные пружины,
Рис. 41. Деформированная поверхностная зона рессорной стали
например клапанных моторов).
С целью создания наиболее благоприятных условий в производстве, повышающих производительность труда, облегчающих условия работы и стабилизирующих качество продукции, целесообразно ввести нагрев под закалку т. в. ч., даже если это вызовет некоторое удорожание производства, поскольку идентичность качества рессорных полос повысит долговечность работы рессор в эксплуатации.
Что касается термической обработки пружин, то следует отпуск пружин производить в приспособлениях, сжимая витки до соприкосновения.
Для контроля и отбраковки пружин должен быть применен метод «заневоливания» их, т. е.
сжатия до соприкосновения витка. В таком состоянии пружины должны находиться 24 ч. В результате слабые пружины «сядут», а имеющие пороки металла поломаются.
Технология закалки деталей
На рис. 42 изображена диаграмма превращений, происходящих в стали при различных процессах охлаждения. Пять кривых диаграммы характеризуют процессы охлаждения, происходящие в стали при различных скоростях.
Особенностью непосредственной закалки является то, что охлаждение происходит не с одинаковой скоростью в различные отрезки времени. В процессе закалки решающее значение имеет охлаждающая среда.
В табл. 47 приведены данные, характеризующие закаливающую способность различных охлаждающих сред при закалке шарика диаметром 4 мм из хромоникелевой стали. Скорость охлаждения определялась в интервале 550—720° С. Закалка производилась с 850° С. Коэффициенты получены по отношению к закаливающей способности воды при +20° С.
Закалку следует вести при быстром охлаждении до температуры несколько выше точки Мн, а затем медленно до комнатной 80
температуры с целью снижения деформации. На рис. 43 представлены кривые быстрого и медленного охлаждения и теоретическая кривая охлаждения.
Время,сек
Рис. 42. Диаграмма скорости охлаждения при различных процессах охлаждения
Рис. 43. Кривые охлаждения:
/ — закалка в масле; 2 — закалка в воде; 3—идеальная закалка; 4 — вода при 20° С
За отправное положение принимают охлаждение в спокойной воде.
Таблица 47
Закаливающая способность охлаждающих сред
Охлаждающая среда	Коэффициент закаливаемости	Охлаждающая среда	Коэффициент закаливаемости
10%-ный раствор	NaOH 10%-ный	»	КОН 10%-ный	»	NaCl 10%-ный	»	Na2CO3 10%-ный	»	H2SO4' Вода 0°	 Вода 20° 	 Ртуть 		2,07 2,06 1,96 1,38 1,22 1,02 1,0 0,78	Вода при 25° С	 Сурепное масло 	 Глицерин 	 Масло минеральное .... 10%-ная водная эмульсия Медная пластинка .... Воздух 	 Мыльная вода 	 Вода при 100° С		0,27 0,30 0,20 0,18 0,11 0,10 0,028 0,07 0,044
Хорошую закалку можно получить при перемешивании масла, при этом меньше опасности получить закалочные трещины вследствие того, что парообразование происходит медленнее. Ниже приведены коэффициенты интенсивности охлаждения в спокойном состоянии жидкости и при циркуляции.
6 Заказ 849	Qi
Интенсивность охлаждения различных охлаждающих сред
Состояние среды	Коэффициент
Масло: спокойное............................ 0,2
средняя подвижность.................. 0,35
быстрая циркуляция................... 0,70
Вода при +20° С: спокойная........................... 1,00
сильная циркуляция................... 1,50
Соляной раствор: спокойный . .	.	............. 2,00
циркулирующий........................ 5,00
При охлаждении стали скорость охлаждения различна по сечению. Ниже приведены данные, полученные при охлаждении в спокойной воде при +20°С образцов из стали 45; размер образцов 50 мм.
Скорость охлаждения по течению образца
Расстояние от поверхности в мм . . 1,5 3 4,5 8 10 12 15 20 25 Скорость охлаждения в град/сек . . 490 350 190 125 75 40 20 12 3,5
В качестве закалочной среды используется поливиниловый спирт, эта среда закаливает со скоростью, промежуточной между водой и маслом. В поливиниловом спирте рекомендуется закаливать углеродистую сталь, склонную к растрескиванию при охлаждении в воде.
Процесс охлаждения в поливиниловом спирте характеризуется тем, что скорость охлаждения в нем стали замедляется как в первой стадии, когда образуется паровая рубашка, так и во второй— в момент мартенситного превращения, поэтому рекомендуется энергично перемешивать жидкость (барботировать).
Необходимо обратить внимание на применение специальных масел, содержащих добавки, сокращающие время существования паровой рубашки на поверхности закаливаемой детали.
Для закалки деталей, нагретых в защитной среде, имеющих гладкую поверхность, которая не смачивается обычным маслом, применяют быстроохлаждающие масла, лучше контактирующие с гладкой поверхностью, например парафиновые. При применении обычных, медленно охлаждающих масел (нафтеновых), их необходимо энергично перемешивать, чтобы ускорить отдачу тепла сталью в момент прекращения кипения масла.
Большое практическое значение имеет ступенчатая закалка, когда детали охлаждаются в горячем масле, нагретом несколько выше *гочки MHt выдерживаются при этой температуре для выравнивания температуры по сечению изделия, а затем закаливаются либо на воздухе, либо в масле при комнатной температуре. Мартенситное превращение в этом случае происходит почти одновременно по всему сечению детали, что снижает коробление.
82
Горячее масло активно реагирует с воздухом, окисляясь, поэтому необходимо герметизировать закалочный бак и изолировать поверхность масла от соприкосновения с воздухом, заполнив
пространство между маслом и крышкой нейтральным газом (азотом, универсальной атмосферой). На рис. 44 показана схема устройства такого бака.
Температура масла поддерживается постоянной с помощью нагрева или охлаждения радиационных труб, погруженных в бак, через которые либо пропускается холодная вода, либо в них горит газ; процесс регулирования температуры автоматизирован.
Наиболее часто применяется закалка в минеральных маслах. Охлаждение в масле позволяет получить меньшие закалочные напряжения и снизить деформацию.
Закаливающая способность масла
Рис. 44. Закалочный бак
зависит от его свойств.
Обычно применяют тяжелые минеральные масла: вапор, вискозин, цилиндровое, веретенное, характеризующиеся хорошей закаливающей способностью при 'Таблица 48 высоких температурах. Соляро-
Характеристика масел
Масло	Закаливающая способность по сравнению с водой	Температура вспышки в °C
Трансформа-	0,44	366
торное Машинное	0,22	405
Парафин	0,29	329
вое и сланцевое масла хотя и обладают повышенной закаливающей способностью, но имеют низкую температуру вспышки. Наибольшее применение получило веретенное масло 3, температура вспышки которого 170° С. Наибольшей охлаждающей способностью обладает выщелоченное индустриальное масло 20В0; оно имеет доста-
точно высокую температуру вспышки.
В процессе работы масло загустевает, подвергаясь осмоле-нию и теряет сво1Ь охлаждающую способность. Следует отметить, что выщелоченное масло 20ВО обладает большей склонностью к загустению. В процессе охлаждения необходимо энергично перемешивать масло в ванне, что значительно повышает его охлаждающую способность.
В табл. 48 приведены характеристики различных масел, применяемых для закалки деталей машин.
6*
83
В табл. 49 указана скорость охлаждения в зависимости от температуры закалки.
Таблица 49
Скорость охлаждения в масле
Температура нагретой детали в °C	Время, необходимое для охлаждения образца до температуры масла в сек при температуре масла в °C			
	120	| 150 1	| 175	200
1300 1000 700* 500* * Пе	7,3 13,5 24,5 53,9 реохлаэк	6,0 12,5 25,0 64,0 щенный	6,3 13,0 26,0 84,6 аустенит	6,3 11,0 24,8
Таблица 50
Скорость охлаждения в неподвижной жидкости
Охлаждающая жидкость	Температура парообразования в °C	Скорость охлаждения в град!сек при температуре в °C		
		800	550	| 300
Вода	100	27	260	70
24%-ный раствор соли	105	—	260	60
Минеральное масло	402	45	125	33
характеристики закаливающей
Таблица 51
Скорость охлаждения в зависимости от температуры масла
Масло	Температура масла в °C	Время охлаждения в сек
Нафтеновое . . .		48
Парафинистое . . Парафинистое	с	30	45
присадкой	...		44
Нафтеновое . . .		46
Парафинистое . . Парафинистое	с	60	41
присадкой 			37
Практическое значение для способности имеет скорость охлаждения в неподвижных жидкостях при постоянной температуре (табл. 50).
Для горячей ванны рекомендуются парафинистые масла с содержанием асфальтенов не более 0,124% (нафтеновые масла имеют 1,36% асфальтенов). Кислотность парафинистых масел ниже асфальтеновых (соответственно 0,15 и 0,38%)). Загрязнение парафинистых масел нафтеновыми недопустимо.
Закаливающую способность масел определяют по методу Гросмана или методом серебряного шарика.
По методу серебряного шарика определяют время в секундах снижения температуры с 850 до 600° С при охлаждении в масле, имеющем определенную температуру (табл. 51). Испытание на закаливаемость нельзя проводить в свежем масле.
Кроме масел, для закалки применяют различные составы соляных ванн. Ниже приведены следующие составы рекомендуемых соляных ванн:
84
1.	Для подогрева до 680—900° С: а) 45% хлористого натрия и 55% хлористого калия; б) 70% хлористого бария и 30% хлористого калия.
2.	Для закалки при 950—1300°С: а) 95% хлористого бария и 5% двуокиси кремния; б) 95% хлористого бария и 5% хлористого натрия.
3.	Для закалки при 730—750° С: а) 20% цианистого натрия, 40% хлористого натрия и 40% углекислого натрия; б) 30% хлористого калия, 55% хлористого натрия и 15% цианистого натрия.
4.	Для отпуска при 530—660° С: 21% хлористого натрия, 31% хлористого бария и 48% хлористого калия.
5.	Для изотермической закалки при 150—600°С: а) 55% азотнокислого калия, 42% нитрида натрия и 3% азотнокислого натрия; б) 50% азотнокислого калия, 15% азотнокислого натрия и 35% нитрида.
6.	Для изотермической закалки при 245—600°С: 55% азотнокислого натрия и 45% азотнокислого калия.
Технология ступенчатой и изотермической закалки
Процесса ступенчатой и изотермической закалки проводят охлаждением деталей, нагретых до температуры закалки в среде расплавленных солей или горячем масле при температуре несколько выше точки Мн. Время выдержки в случае ступенчатой
Обычная закалка Ступенчатая закалка Аустемперинг Изотермическая закалка бремя
Рис. 45. Диаграмма ступенчатой и изотермической закалки
закалки определяется интервалом для выравнивания температуры по сечению детали, с тем чтобы при последующем охлаждении в другой среде получить по всему сечению мартенситную структуру.
Изотермическая закалка проводится при выдержке, необходимой для полного превращения аустенита в бейнит без последующего переноса деталей в другую среду. Режимы закалки выбирают в соответствии с диаграммой на рис. 45.
Изотермической обработке целесообразно подвергать изделия из стали, имеющей короткий инкубационный период.
Для изотермической выдержки применяют ванны из различных солей или масел, в зависимости от требуемой температуры.
85
Наибольшее применение получили масла марок МК22 и П28 в смеси с другими маслами. Так, например, применяется смесь, состоящая из 85% масла МК22 и 15% веретенного масла, или смесь из 85% масла П28 и 15% веретенного масла. Помимо указанных смесей, можно рекомендовать и другие, например смесь, состоящую из 50% трансформаторного, 50% авиационного масла или из 70% трансформаторного и 30% авиационного масла.
Перепад температур в ванне допускается в пределах ±5° от установленной техническими условиями. Температуру можно регулировать автоматически.
Ступенчатую закалку после химико-термической обработки деталей рекомендуется производить в масле при 200° С с последующим охлаждением деталей на воздухе.
Ступенчатой закалке, как правило, подвергаются также подшипниковые кольца из стали ШХ15.
Кольца, нагретые до температуры закалки 850° С, охлаждают в масле при 150—160° С в течение 5 мин, после чего переносят в ванну с температурой 80° С и выдерживают 10 мин.
Для более полной стабилизации структуры кольца подвергают обработке холодом и затем отпускают при температуре 150° С; твердость на поверхности HRC 64—65. После такой обработки деформация колец минимальна.
Изотермическая закалка на нижний бейнит обеспечивает высокую прочность и повышенную износостойкость, что позволяет увеличить срок службы деталей, изготовляемых из среднеуглеродистых легированных марок стали.
Процесс изотермической закалки можно применить при обработке штамповок с использованием остающегося ковочного тепла. Процессы изотермической и ступенчатой закалки применяются не только в массовом производстве, но и в серийном. Примером может служить технологический процесс изотермической закалки деталей сельскохозяйственных машин в установке, состоящей из трех ванн с керамической футеровкой; размеры ванн — длина 1500 мм, ширина 1000 мм и глубина 1650 мм. Первая ванна с температурой 950°С для нагрева, вторая— 850° С для подстуживания и третья — 650° С для изотермического охлаждения. Ванны нагреваются электротоком; каждая ванна имеет отдельный трансформатор; первая ванна потребляет 400 кет, вторая — 200 кет и третья — 150 кет.
Разогрев ванн производится электродами, вставленными в жароупорные трубы. Разогретая соль перемешивается пропеллерами. Температура в ваннах поддерживается в пределах ±2° С; при необходимости понизить температуру в ванне через специальные трубы, погруженные в ванну, продувается холодный воздух. Продолжительность выдержки при изотермической и ступенчатой обработке деталей в ваннах зависит от объема 86
Рис. 46. Превращение в промежуточной области
металла, загружаемого в ванну, а также от скорости охлаждения; поэтому время выдержки определяется экспериментально.
Диаграмма, показанная на рис. 46, дает представление о превращениях в промежуточной области.
В зоне промежуточного охлаждения происходит диффузионное превращение аустенита, которое иногда не доходит до конца. Микроструктура, которая получается в верхней области, имеет перистую форму, а в нижней области — игольчатую форму (верхний бейнит и нижний бейнит).
При изотермическом превращении в промежуточной области из аустенита выделяются карбиды. В нижней области карбиды дисперсны, а в верхней крупнее, чем пластинки перлита, образующиеся в смежной области перлитного превращения. В области нижнего бейнита в результате превращения в легированных сталях, например молибденовых, структура состоит из бейнита и остаточного аустенита. В процессе дальнейшего охлаждения может протекать превращение аустенита в мартенсит.
Большое практическое значение приобрел так называемый «аустемперинг» — процесс, связанный с превращениями в промежуточной области. При этом процессе охлаждение деталей производится при температуре нижней области промежуточного превращения.
Выдержка в ванне выбирается так, чтобы при определенной температуре переохлажденный аустенит превратился в бейнит. Дальнейшее охлаждение производится с любой скоростью. Этот процесс применяется как для обработки деталей из углеродистой стали,так и легированной.
Изотермическая выдержка при температуре нижней области промежуточного превращения дает более высокие показатели ударной вязкости, чем в процессе улучшения. Обработка в верхней области такого преимущества не дает.
Отпуск после изотермического превращения снижает прочность. После изотермической обработки карбиды получаются более крупные, чей после закалки на мартенсит и последующего отпуска. Вследствие этого отношение предела текучести к пределу прочности менее благоприятно, чем после улучшения, но повышение ударной вязкости является особенностью процесса так же, как и повышение усталостной прочности.
Обработка при температурах верхней области с расчетом на полное превращение аустенита повышает длительную прочность.
87
Особый вид изотермической обработки представляет собой процесс патентирования проволоки. Проволока охлаждается в ванне при температуре около 500° С, т. е. в нижней области температур перлитного превращения. Образующийся перлит имеет мелкопластинчатое строение. Деформированная после патентирования проволока имеет предел прочности на разрыв выше 400 кГ/мм2, Изотермическую и ступенчатую закалку целесообразно применять для уменьшения деформации при охлаждении деталей с высоких температур и после длительной выдержки, поскольку при нагреве возникают ,большие тепловые напряжения, а при охлаждении в холодном масле или воде вследствие неодновременного протекания фазового превращения аустенита в мартенсит дополнительно возникают большие закалочные напряжения, вызывающие коробление деталей. Эти процессы можно применять только для деталей небольшого сечения и изготовленных из сталей, имеющих короткий инкубационный период.
Выбор того или иного процесса зависит от требований, предъявляемых к деталям в эксплуатации. Детали, которые испытывают удары в работе и должны обладать повышенной вязкостью, следует подвергать изотермической закалке, а детали как, например, цементуемые шестерни, работающие при трении и испытывающие сложные напряжения от удара и изгиба, следует подвергать ступенчатой закалке.
Температуру ванны для ступенчатой и изотермической закалки необходимо подбирать экспериментально в зависимости от температуры точки Мн.
Если в структуре стали будет остаточный аустенит, то с течением времени размеры детали изменятся вследствие превращения аустенита в мартенсит. При наличии нижнего бейнита размеры стабилизируются и повышается ударная вязкость и прочность стали.
Для ступенчатой или изотермической закалки применяют соляные ванны. Закаливающая способность ванн зависит от скорости отвода тепла от детали, охлаждаемой в ванне, что определяется теплопроводностью соли. Закаливающую способность ванны можно регулировать, изменяя содержание в ней воды с помощью автоматических установок, дозирующих воду по мере ее испарения; при этом достигается стабильность охлаждающей способности ванны.
Один из способов автоматического регулирования содержания воды в ванне основан на измерении электропроводности расплава соли, которая изменяется в зависимости от содержания воды в соляном растворе.
В ванну (конструкции Н. А. Бирюковой) с соляным раствором, показанную на рис. 47, вода вводится через приспособление,, которое состоит из коробки, трубы для подвода воды и 88
Рис, 47, Ванна конструкции Бирюковой В, Н.
рассекателя. Приспособление расположено на глубине 20—50 мм •от поверхности раствора.
Расплав перемешивается воздухом, подаваемым через трубки, расположенные на дне ванны, или механической мешалкой. Частично вода вместе с солью захватывается внутрь расплава, а частично испаряется и пар выходит через торцовые зазоры.
Ввод воды в ванну совершенно безопасен. Количество воды, поглощаемой солью при определенной температуре, постоянно, и это способствует не только стабильному охлаждению, но и •созданию кипящего слоя около охлаждаемой детали, что позволяет изотермически закаливать детали сечением до ПО мм. На испарение 1 кг воды расходуется 640—670 кГ-кал тепла. Исходя из этого можно подсчитать, 'сколько воды потребуется для охлаждения ванны.
Температура ванны поддерживается автоматически в пределах ±5° с помощью электронного потенциометра ЭПД-12. При переходе на другой режим можно быстро понизить температуру ванны. Соль не требуется обновлять, так как не происходит ее «старения».
Соль нагревается трубчатыми электронагревателями, опущенными в ванну. Мощность ванны может быть различной. Тигель сварной из стали марки Ст.З толщиной стенки 18 мм. Тигель вставляется в каркас; теплоизоляция — шлаковата.
Перед пуском ванны соль смачивают водой. В сухой соли трубчатые электронагреватели могут перегореть. На 1 т соли вводится 100 л воды. При 100° С идет интенсивное испарение воды и затем температура начинает повышаться.
Раствор не затвердевает, после выключения ванны, длительное время.
В качестве примера может служить закалка ножей для резки кожи из стали 6ХС и 5ХВ2С сечением до 85 мм. При загрузке в ванну ножей весом 2 т при температуре 900° С, охлажденных в течение 20 мин до 180° С, температура ванны поднялась на 5°. При этом было внесено тепла 250 000 к)кал. Вес соли в ванне составлял 19 т. В обычной ванне температура поднялась бы на 35° С.
Расплав ванны состоит из 55% KNO3 и 45% NaNO2. Температура ванны может быть повышена до 530° С.
При содержании воды в соли 0,68% и при температуре ванны 170° С скорость охлаждения достигает 315° в секунду вместо •60° в секунду в обычной ванне, т. е. в 5 раз интенсивнее. В случае добавки воды свыше 0,68% при 170° С скорость охлаждения уменьшается. Так, при 4,26% воды максимальная скорость охлаждения 180° в секунду. Это объясняется тем, что при большем содержании воды увеличивается паровая рубашка вокруг детали.
90
Содержание воды в расплаве строго определенно и, например, при 250° С не должно достигать 1%. Если в обычной ванне перемешивание соли влияет на скорость охлаждения, то при новом способе это не оказывает влияния, поскольку кипение воды действует более эффективно, чем механическое перемешивание.
В результате тщательного подбора режима охлаждения деталей при закалке можно получить минимальную деформацию. Для снижения деформации деталей рекомендуется:
а)	применять сталь зернистостью 7—8-го балла;
б)	использовать сталь регулируемой прокаливаемости;
в)	селектировать сталь по элементам, влияющим на прокаливаемость и закаливаемость;
г)	штамповку деталей производить только из заготовок точных размеров;
д)	производить изотермический (ступенчатый) отжиг заготовок для получения дифференцированной перлито-ферритовой структуры;
е)	обработку резанием вести по строго регламентированному процессу и качественным инструментом, не допуская возникновения чрезмерного наклепа;
ж)	при изготовлении прецизионных деталей выполнять промежуточный отжиг для снятия напряжений;
з)	нагрев производить медленно, постепенно повышая температуру до рабочей, которая может быть значительно выше точки ACgt например, в процессе газовой цементации при индукционном нагреве;
и)	охлаждение вести с подстуживанием до точки + 50° С с целью снижения закалочных напряжений;
к)	нагрев сложных деталей вести в соляных ваннах с предварительным подогревом.
При закалке могут возникать трещины. Причинами их возникновения являются: резкие переходы в сечениях деталей, подрезы, острые кромки, обработка деталей затупленным инструментом и при чрезмерной подаче, резкий нагрев и охлаждение, остаточные внутренние напряжения, не снятые отпуском после холодной штамповки или наклепа. Если деталь имеет выточку, то притупление острых кромок обязательно. При нагреве эти места рекомендуется экранировать. После закалки необходимо подвергать детали отпуску без промедления, так как сталь в закаленном состоянии чрезвычайно напряжена. Степень закалки зависит от закаливающей способности жидкости. Из масла следует своевременно удалять окалину при помощи магнитных фильтров.
При закалке деталей изменяется объем металла, так как образующийся мартенсит имеет больший объем, чем аустенит.
91
Это приводит к деформации и короблению обработанных изделий.
Мелкозернистые стали менее склонны к деформации, чем крупнозернистые. Следовательно, для уменьшения деформации деталей рекомендуется применять мелкозернистые стали 7— 8-го балла.
После закалки в деталях возникают остаточные напряжения^ которые снимаются последующим отпуском. На рис. 48 приведена диаграмма влияния отпуска на снятие сжимающих напряжений.
Необходимо учитывать, что при быстром нагреве деформа-
ция возрастает, так как превращения в различных местах детали
Рис. 48. Диаграмма влияния отпуска на сжимающие напряжения
протекают неодновременно. Неравномерность нагрева особенно влияет на деформации несимметричных деталей, так как фазовые превращения в сложной детали не могут происходить одновременно по всему сечению. Большое влияние на деформацию оказывают факторы, возникающие в процессе обработки деталей (штамповки, механической обработки, нагрева, охлаждения, правки и пр.).
Напряжения, возникшие при механической обработке, приводят к короблению детали в процессе по
следующего нагрева под закалку или химико-термическое упрочнение; эта деформация усугубляется напряжениями, возникающими при закалке вследствие структурных изменений и изменений объема при тепловых процессах.
Для снижения деформации следует конструировать детали без резких переходов и концентраторов напряжений (острые углы, выточки, канавки, буртики и пр.). Переход от одного сечения к другому должен иметь радиус возможно большего размера. Кроме того, следует выбирать сталь соответствующей прокаливаемости. Например, для изготовления шестерен подбирать такую сталь, чтобы при закалке в сердцевине зуба получалась неполная прокаливаемость, т. е. не было мартенсита; но нельзя допустить присутствия феррита. Структура сердцевины зуба должна быть сорбитовая или бейнитная.
Влиять на этот фактор можно, изменяя состав стали в пределах, установленных для данной марки.
Так, для уменьшения деформации шестерен, изготовляемых из стали марки 25ХГМТ, следует варьировать содержание молибдена, как элемента, наиболее влияющего на прокаливаемость.
92
Степень деформации определяется в современном производстве, например, автомобильных шестерен сотыми и тысячными долями миллиметра. Поэтому должен быть учтен весь комплекс мероприятий для получения столь незначительного изменения размеров.
Одной из наиболее действенных мер снижения деформации является закалка изделий в горячем масле и насыщение углеродом в процессе химико-термической обработки в диапазоне сотых долей процента; например, для шестерен модуля 4—5 мм насыщение углеродом должно быть в пределах 0,9—0,95% или 0,8—0,85%, в зависимости от удельных давлений, возникающих в работе шестерен. Снижение деформации шестерен вызывает увеличение долговечности их работы, так как предотвращается образование питтинга, который, как известно, возникает вследствие концентрации удельных давлений, возникающих на поверхности деформированных зубьев шестерен, вызывающих усталость стали и, как следствие, образование местного точечного выкрашивания.
Насколько вероятна возможность предотвращения деформации после термической обработки, можно судить, например, по тому, что в производстве шестерен применяется процесс хонингования, для осуществления которого изменение размеров не должно превышать тысячные доли миллиметра. Например, диаметр шлицевого отверстия шестерен модуля 4—5 мм должен иметь после химико-термической обработки сужение не более 0,05 мм по диаметру, т. е. на сторону 0,025 мм, при этом деформация по высоте отверстия допускается ±0,05 мм.
Термическая обработка в магнитном поле
Процесс термомагнитной обработки за рубежом известен под названием «термомагнодинамикс». При этом процессе в момент закалки, когда происходят аустенито-мартенситные превращения, накладывают магнитное поле. Таким образом, процесс произойдет при дроблении блоков в момент превращения парамагнитной фазы (аустенит) в ферромагнитную (мартенсит). Блоки значительно измельчатся, а кристаллы мартенсита примут одну ориентацию во всех зернах.
В результате термомагнитной обработки прочностные свойства стали повышаются на 35—70 кГ1мм2 [25].
Так, среднеуглеродистая хромомолибденовая сталь марки 4330 имела после термомагнитной обработки ав = 258
261 кГ)мм2 вместо ав = 192 н- 194 кГ/мм2. Полученный эффект повышения прочности объясняется дисперсностью фаз и иным расположением атомов в кристаллической решетке.
Практическое осуществление процесса возможно различными способами. В Японии существует способ Танако Юкио, по кото-
93
рому деталь нагревают до температуры закалки постоянным, током, а затем, не выключая тока, ее охлаждают в жидкости или воздухом. В результате такой обработки прочность стали марки 45 повышается с 75 до 144 кГ!мм2.
Термическая обработка при нагреве в вакууме
В технологии термической обработки для закалки деталей получает распространение вакуумный нагрев.
В некоторых случаях этот нагрев конкурирует с нагревом, в контролируемой атмосфере. Этот процесс за рубежом называют нагрев в «вакуумной атмосфере». Преимуществом его является очистка металла от газовых включений.
Операция закалки осуществляется в двухкамерной установке. В первой камере ведут нагрев, а во второй — охлаждение. Деталь, нагретая до температуры закалки, перемещается автоматически в охладительную камеру, которая заполняется инертным газом. Тепло отводится через стенки камеры, охлаждаемые снаружи.
Существуют печи для непрерывного вакуумного отжига ленты производительностью несколько тонн в сутки. Печи для обработки с нагревом в вакууме рекомендуется выбирать в зависимости от размера и веса детали; требуемой температуры; режима обработки; степени разрежения; ввода инертных газов.
Различают два типа печей: печи с горячей ретортой, нагреваемой извне, и печи с холодной ретортой, нагреваемой изнутри. Печи могут быть вертикальные и горизонтальные. Печи с горячей ретортой применяются для нагрева не выше 1100° С и разрежения до 10-5 (табл. 52). Реторту делают из 75%-ного никелевого сплава или жаропрочной высоконикелевой стали.
Таблица 52
Температура и степень разрежения атмосферы для отжига
Материал	Температура в °C	Степень разрежения в мм рт. ст.
Аустенитная нержавеющая сталь	 Мартенситная сталь		1050—1100 750—850	ю-5 ю-4
Во время работы реторта испытывает механическое давление, равное одной атмосфере, и поэтому металл реторты должен выдерживать это давление при рабочей температуре. Целесообразно также выкачать воздух между кладкой и ретортой.
Для интенсивного охлаждения нагретых в вакууме деталей в реторту вводят аргон или гелий; газ вводят, когда давление 94
равно 1 мм вод. ст. Обычно имеют три реторты: одну в печи с деталями, вторую под нагрузкой и третью охлаждаемую. Ретортная печь удобна в эксплуатации, поэтому чаще строят горизонтальные установки полунепрерывного действия.
Горизонтальная установка состоит из форкамеры, ретортьц камеры для охлаждения и разгрузочного устройства. Условия вакуумирования и нагрева те же, что и в вертикальной печи. Горизонтальная установка может быть различных размеров. В ней могут быть обработаны трубы, штанги, листы и пр. Все процессы установки контролируются автоматически.
Реторты часто прогорают.
Хромоникелевые реторты применяют для температуры не выше 1000° С.
Горизонтальные и вертикальные печи с «холодной» ретортой могут работать при весьма высоких температурах (2500— 3000°С). В таких печах нагревательные элементы располагают внутри камеры. Ток проходит через радиационные пластинки, нагревая их непосредственно, вследствие чего они становятся как бы рефлекторами и ускоряют нагрев деталей. Нагревательные элементы изготовляют из графита, молибдена, тантала и вольфрама. Радиационные пластинки также делают из молибдена, тантала, вольфрама, в зависимости от температуры, необходимой для нагрева.
При заполнении реторты аргоном температуру можно повысить до 3000° С при радиационных пластинках из молибдена или вольфрама, но стойкость их при этом понизится. При заполнении реторты чистым водородом и нагреве графитовыми электродами может быть получена температура выше 3000° С.
Для невысоких температур элементы обычно делаются из хромоникелевой ленты или проволоки, а также литые.
Температуру до 1600° С измеряют платино-платинородиевой термопарой, а для более высоких температур термопары делают из вольфрама и рения или вольфрама и молибдена.
При работе печи необходимо следить за уплотнением реторт и трубопроводов. Уплотнения проверяют с помощью гелия, утечка которого оценивается с помощью масс-спектрометра; степень разрежения в камере достигает 0,1 мм рт. ст.
Как нагрев, так и охлаждение производятся медленно, поскольку действует лишь лучеиспускание.
В печи, оснащедной радиационными пластинками, нагрев до 850° С производится за 30 мин после достижения требуемого вакуума в случае нагрева деталей диаметром 20 мм. Перемещенные затем в камеру охлаждения детали с 850° С охлаждаются до 250° С в течение 30 мин. Температура регулируется непосредственно на нагревателях, поэтому деталь никогда не перегревается выше установленной температуры. Во время охлаждения непрерывно откачивается атмосфера.
95
Вакуумные печи получают все большее распространение и применяются не только для нагрева деталей, но и для непрерывного нагрева проволоки и ленты при термической обработке.
Отечественная промышленность выпускает вакуумные печи СКО-5132, СКБ-5052. Стоимость обработки в вакуумной печи, по зарубежным данным, примерно в 2,5 раза ниже, чем в контролируемой атмосфере. Установочная стоимость вакуумной печи примерно на 10% выше, чем печи с контролируемой атмосферой.
Преимуществом вакуумного нагрева является то, что нагрев не приводит к каким-либо реакциям с металлом. Поэтому такой нагрев пригоден при обработке тонких деталей из металлов, склонных к окислению.
Отжиг в печи с вакуумом позволяет получить металл высшего качества, и этот эффект тем выше, чем тоньше деталь.
Технология термической обработки отливок
Интенсификация процессов изготовления деталей машин возможна при внедрении комплексной технологии на основе автоматизации управления процессами и механизации трудоемких процессов. Поэтому создание комплексной технологии является в настоящее время одной из важнейших задач промышленности. При создании комплексной технологии, в комплекс включаются только процессы механической обработки или процессы термической или кузнечной обработки.
Примеров комплексной технологии, в состав которой были бы включены процессы механической, термической, кузнечной и литейной технологии, почти нет.
Примером может служить поточное производство на автоматической линии поршней автомобильных двигателей. В этой линии от момента загрузки шихты в печь до упаковки поршней, рассортированных на классы, все автоматизировано. Подобные автоматические линии должны широко применяться в промышленности для производства различных деталей, например шестерен. При этом исключаются промежуточные операции как погру-зо-разгрузочные, так и транспортные на большие расстояния и создается возможность оперативного управления процессами. Все это экономит время и создает ритм в производстве, что позволяет соединить в одной линии различные машины, станки и аппараты.
В машиностроении создано большое количество различных линий для обработки деталей машин, в том числе для сложных операций (обработка блоков цилиндров, шестерен, шатунов и др.). Серьезным затруднением при создании комплексных автоматических линий с установками для литья и термической обработки являлось то, что процессы эти длительны, сопряжены с большим выделением дыма и тепла. При этом требуется специ-96
альная вентиляция и не может быть отрегулирован ритм работы линии без заделов на участках литья и термической обработки.
Применение установок с автоматическим управлением и интенсификацией процессов позволяет решить задачу совмещения в одной автоматической линии процессов различной технологии.
В области литейной технологии разработаны прогрессивные процессы литья деталей по выплавляемым моделям и в оболочковые формы, вакуумная плавка и заливка деталей. Эти процессы к< ренным образом изменили технологию литья. Плавка и заливка в формы металла под вакуумом исключили загазованность помещений. Литье в оболочковые формы и по выплавляемым моделям позволило получать заготовки с размерами, близкими к размерам деталей, окончательно обработанных на металлорежущих станках, что значительно упростило технологию механической обработки. Изменились условия термической обработки вследствие усовершенствования технологии закалки деталей при нагреве т. в. ч. Это способствовало установке закалочных устройств непосредственно в потоке механообрабатывающих цехов.
Разработка процесса газовой цементации при нагреве т. в. ч. позволила включить в поток установки для химико-термической обработки. Комплекс этих процессов может быть использован, например, для изготовления шестерен.
Комплексный технологический процесс обработки литых шестерен из стали ЗОХГТ должен включать следующие операции: литье, обрубку, очистку, термическую обработку для исправления структуры, предварительную профилировку зубьев, обработку торцев зубьев и поверхности отверстия, карбонитрирование, закалку, отпуск, окончательную механическую обработку.
Литье в оболочковые формы имеет ряд преимуществ перед обычным способом литья в песчаные формы: отсутствие влаги в форме, высокая прочность и газопроницаемость оболочек обеспечивают получение отливок с чистой поверхностью и плотной структурой. Оболочка формы не препятствует усадке металла в процессе его кристаллизации, что уменьшает напряжения в отливке. Высокие термоизоляционные свойства формы обеспечивают надежное питание отливок в процессе их кристаллизации, что предотвращает образование пористости.
Мелкозернистая сталь с определенной степенью прокаливаемости обеспечивает гарантированные свойства шестерен в соответствии с техническими условиями в отношении прокаливаемости и деформации.
Отливки после удаления прибыли и литников необходимо подвергать при использовании индукционного нагрева нормализации для исправления грубозернистой, видманштеттовой струк-7 Заказ 849	97
туры, свойственной литой стали. Нормализация должна производиться при температуре 950° С непосредственно в линии изготовления шестерен. В течение 20 сек нагрева образуется твердый раствор, а после охлаждения на воздухе структура нормализованной литой стали состоит из перлита и феррита; твердость в пределах НВ 15^2—202. При такой твердости сталь отлично обрабатывается на металлорежущих станках.
Механическая обработка сводится к минимуму, так как отлитые в корковые формы заготовки имеют небольшой припуск на обработку. Так, например, литые заготовки шестерни модуля 4 мм имели припуск на обработку зуба не более 0,5 мм. После нормализации шлифованием удаляют образовавшийся заусенец на торцах. Все описанные операции должны производиться на автоматизированных станках. После механической обработки шестерни передают к автоматизированной установке для газовой цементации с нагревом т. в. ч.
Процесс цементации обычно продолжается 45 мин, после чего шестерни закаливают в горячем масле при температуре 160— 180° С, промывают и передают для окончательной механической обработки (шлифования). Темп выпуска шестерен перед шлифованием 2 мин, т. е. такой же, как на металлорежущих станках.
Глубина цементованного слоя на поверхности зубьев около 1 мм, твердость поверхности зуба не менее HRC 58, а сердцевины HRC 35—45. Структура поверхностного слоя состоит из мартенсита с небольшими включениями цементита и остаточного аустенита; структура сердцевины,— троостосорбит. В таком состоянии шестерни обладают высокой прочностью зубьев, аналогичной прочности зубьев шестерен, изготовленных из штамповок и подвергнутых той же термической обработке.
Ниже приведены данные, характеризующие прочность зубьев литых и кованых шестерен при статической нагрузке.
Изгибающее усилие в кг до разрушения зуба для шестерен
Литых . . . 17000 13700 15300 15600 16700 14600 15800 14300 21800 Кованых . . 14000 11600 18400 16600 21600 12200 19000 19000 11600
Аналогичные результаты получены при испытании шестерен на стенде: литые и кованые шестерни выдержали испытание в пределах установленных норм; нагрузки были заданы в 1,5 раза выше расчетных. Испытание прочности шестерен в условиях эксплуатации показало полную их пригодность.
Таким образом, практически доказано, что литой металл, имеющий мелкокристаллическое строение, не хуже кованого.
Применение новых методов литья позволяет получать сталь, обладающую однородной структурой и высокой прочностью по всему сечению. Сравнение механических свойств литой стали, 98
выплавленной под вакуумом и в обычных условиях, показало, что в первом случае прочность на 25—30% выше, что является резервом прочности и может послужить основанием для снижения веса детали.
ТЕХНОЛОГИЯ ТЕРМИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКИ ДЕТАЛЕЙ ПРИ ИНДУКЦИОННОМ НАГРЕВЕ
Индукционный нагрев деталей для закалки впервые в СССР был внедрен в 1935 г. на заводе ЗИЛ при участии проф. В. П. Вологдина. Широкое распространение этого процесса объясняется следующими преимуществами:
1)	потребление энергии ограничено нагревом определенной массы металла;
2)	поверхность детали при нагреве почти не окисляется, вследствие короткого времени нагрева;
3)	при закалке среднеуглеродистой стали можно получить такую же износостойкость поверхности, как при химико-термической обработке легированной стали;
4)	высокочастотные установки можно размещать в линии станков механических цехов;
5)	качество продукции стабильно вследствие точного повторения режима обработки;
6)	условия труда значительно улучшены в сравнении с работой на печных установках.
Индукционный нагрев применяют для деталей различной формы. За рубежом принято подразделять нагрев под закалку токами высокой, средней и низкой частоты.
Наш термин «высокочастотный нагрев» с применением частоты выше 50—60 периодов не применяется за рубежом, а вместо него применяется термин «высокочастотный», «среднечастотный» и «промышленной частоты».
Нагрев деталей для закалки в индукционном поле является сложным процессом. Индуцируемый в тело изделия ток мгновенно трансформируется в тепло в тонком слое. Дальнейший процесс совершается вследствие теплопроводности металла.
Воздействие тепла на структуру стали ослабляется эндотермической реакцией фазовых и магнитных превращений. При переходе стали из магнитного состояния в парамагнитное резко уменьшается мощность тока и вследствие этого замедляется нагрев верхнего слоя металла.
Парамагнитное состояние наступает, когда температура достигает температуры точки Кюри; при этом у поверхности детали ферритная часть структуры переходит из магнитного в парамагнитное состояние.
При исходной сорбитовой структуре ферритные промежутки между карбидными частицами столь малы, что при большой 7*	99
скорости нагрева диффузионное распространение аустенита к границам карбидных частиц преодолевает ферритные промежутки раньше достижения температуры точки Кюри и происходит превращение ферромагнитного феррита в парамагнитный аустенит [16]. При нагреве мартенситной структуры возникает сплошной парамагнитный слой у поверхности вследствие превращения ферромагнитного мартенсита в парамагнитный аустенит.
Согласно этой теории критические температуры фазовых превращений при обычном нагреве не могут служить основой для назначения температурных режимов при индукционном нагреве.
Следует ориентироваться на фактическую кинетику превращений в структуре при нагреве деталей. В зависимости от скорости нагрева и объема нагреваемого тела меняется кривая нагрева.
Преимущества закалки при нагреве т. в. ч. заключаются в дополнительном измельчении блоков мозаики из-за ограничения роста зерен вследствие быстрого нагрева. Практически это подтверждается тем, что индукционный нагрев под закалку стали с сорбитовой структурой дает больший эффект в отношении однородности нагрева и твердости, чем нагрев стали с перлитной структурой.
По мере увеличения глубины проникновения тока все большая часть объема металла нагревается за счет теплопроводности.
При повышении температуры в слое металла близ поверхности происходит парамагнитное превращение при температуре точки Кюри и после некоторого времени устанавливается стационарное состояние с меньшим температурным градиентом по сечению, при этом наблюдается состояние, когда тепло отводится в сердцевину в большем количестве, чем возникает в поверхностном слое.
Путем предварительного прогрева стали за счет теплопроводности и последующего включения тока можно интенсифицировать процесс и прогреть сталь на большую глубину от поверхностного слоя. Как показал опыт, повышая скорость нагрева в стали с мелкой структурой, можно завершить фазовое превращение перлита в аустенит при температуре ниже точки Кюри. Следовательно, характер процесса нагрева не зависит от температуры нагрева.
При индукционном нагреве углеродистой стали наблюдается неоднородность твердого раствора по углероду при температуре до 840° С, а при дальнейшем повышении температуры неоднородность уменьшается. Нагрев до 1000° С выравнивает концентрацию углерода. При скорости нагрева 40—50° С в секунду при нагреве до 1000° С получают более мелкие зерна, чем при обычном нагреве.
100
В связи с неоднородностью аустенита, образующегося при индукционном нагреве, характер превращения его при охлаждении отличается от превращения после обычного нагрева. Аустенит при индукционном нагреве превращается при охлаждении в мартенсит в более широком температурном интервале. Наиболее насыщенные углеродом объемы аустенита распадаются позднее при более низкой температуре в соответствии с понижением точки Мп. Образовавшиеся в первую очередь кристаллы мартенсита из менее насыщенных углеродом объемов аустенита претерпевают отпуск в последующие моменты, когда образуются новые включения мартенсита из более насыщенных углеродом объемов. Таким образом, процесс образования мартенсита происходит ступенчато, поскольку твердый раствор неоднороден. Структура закаленной стали больше походит на структуру закаленной и отпущенной, стали при обычном медленном нагреве.
В легированной стали стойкость карбидов выше, чем в углеродистой. Диссоциация карбида и его переход в твердый раствор зависят от содержания легирующего элемента в стали. Так, при содержании хрома около 1 % образуются карбиды цементитного типа, которые легко переходят в твердый раствор; при содержании 5% хрома образуется специальный карбид хрома Сг7С3, диссоциация которого и переход в твердый раствор затрудняются. Аналогично ведут себя карбиды молибдена и вольфрама: дисперсные карбиды, располагаясь по границам зерен, тормозят их рост при повышении температуры.
Никель при индукционном нагреве не создает препятствий к росту зерен аустенита, так как он не обладает карбидообразующей способностью. Снижая точку Ас , никель расширяет температурный интервал превращений при нагреве, что способствует интенсивному росту зерен, и тем больше, чем больше содержание никеля в стали.
Особенностью нагрева с помощью индукционного тока является быстрое образование аустенита. Скорость превращения перлита в аустенит, как известно, зависит от состава стали, величины и формы кривизны поверхности раздела фаз и прочности химической связи в карбидах. При индукционном нагреве стали непрерывно растет температура вследствие большого перепада температур между поверхностными слоями и сердцевинными.
В процессе нагрева меняется кристаллическое строение металла, которое весьма неоднородно вследствие наклепа, возникающего в процессе деформации и фазовых превращений. Эта неоднородность присуща как зерну, так и блокам мозаики, из которых состоит феррит. Количество углерода на границах блоков больше, чем внутри блоков. Вследствие этого температура конца аустенитного превращения на границах блоков находится в пределах 800—840° С. При этих температурах образуется аусте-
101
нит в блоках мозаики. Далее происходит увеличение его объема по мере превращения феррита в блоках в аустенит.
Таков процесс в доэвтектоидной стали, приводящий в результате неоднородности аустенита в микрообъеме к получению при остывании более мелкой блочной структуры, что подтверждается повышением твердости после охлаждения металла.
При индукционном нагреве наблюдается неравномерное распределение индуцируемой мощности в нагреваемом теле, перераспределение ее, замедление нагрева вследствие отвода тепла с поверхности внутрь и вследствие изменения характера поглощения тепла при перлито-аустенитном, магнитном и полиморфном превращениях. Основное значение при этом имеет количественное соотношение структурных элементов и присутствие тех или иных карбидов. Поскольку количество тепла, сообщаемого в нагреваемый объем, значительно превосходит тепло фазовых превращений, последние происходят в более широком температурном интервале, смещаясь в область более высоких температур с увеличением скорости нагрева. При повышении температуры интенсивность превращения увеличивается.
Установлено, что при быстром нагреве образующееся зерно аустенита имеет меньший размер. Крупнозернистая сталь после закалки с высокой температуры при индукционном нагреве приобретает мелкозернистое строение.
Практика закалки деталей при индукционном нагреве
Для закалки при нагреве в индукционном поле применяют углеродистые и легированные стали с содержанием углерода не ниже 0,35% (табл. 53). Сталь в заготовке должна быть нормализована.
Таблица 53
Стали, используемые для деталей, закаливаемых при индукционном нагреве
Марка стали	Химический состав в %					Твердость поверхности в закаленном состоянии HRC
	С	Si	Мп	Сг	Мо	
35	0,35	0,25	0,6			—.	51-57
45	0,45	0,25	0,7	—	—	55—61
Уб	0,55	0,25	0,6	—	—	59—63
35Х	0,35	0,25	0,7	1,0	—	52—57
40Х	0,40	0,25	0,7	1,0	—	54—59
45Х	0,45	0,25	0,7	1,0	—	55—60
30ХМ	0,30	0,25	0,6	1,0	0,2	55—60
55ПП	0,60	0,17	0,2	—	—	58—63
102
Рассмотрение приведенных составов стали показывает, что углеродистая сталь вполне заменяет легированные стали, поскольку можно получить на закаленной поверхности твердость в пределах HRC 55—63.
На многих заводах изготовляют детали, подвергающиеся закалке при нагреве т. в. ч. из стали марки 45, подвергая заготовки предварительно нормализации и в особых случаях улучшению.
При выборе технологии термической обработки заготовок необходимо иметь в виду, что углеродистая сталь прокаливается на небольшую глубину, поэтому при механической обработке может быть снят закаленный слой и улучшение стали будет бесполезным. Так, например, коленчатые валы (диаметр шейки 75 мм) имеют закаленный слой на глубине 4—5 мм, который удаляется при обточке шеек; поэтому ограничиваются нормализацией штамповок валов. Кроме того, процесс предварительного улучшения не может быть рекомендован, так как при последующем индукционном нагреве может образоваться ослабленный отпуском слой, где возникнет трещина усталости.
Применение сталей, легированных хромом, позволяет производить охлаждение после нагрева т. в. ч. деталей в масле во избежание образования закалочных трещин и большой деформации при охлаждении водой.
Закалку при нагреве т. в. ч. применяют также для литых стальных и чугунных деталей из серого и ковкого чугуна. Хорошие результаты получаются при закалке чугуна с шаровидным графитом, из которого изготовляют коленчатые и распределительные валы автомобильных двигателей. Чугуны, за исключением серых, нагревают до более высокой температуры, чем стали.
Для серого чугуна минимально допустимым считается содержание связанного углерода 0,4—0,5%. Закалка чугуна с меньшим содержанием углерода требует более высокого нагрева для сокращения времени растворения графита. Закаленный серый блочный чугун имеет твердость HRC 45, перлитный HRC 38 и модифицированный HRC 50. Нагрев перлитного серого чугуна не должен превышать 950° С, так как вблизи этой температуры находится точка плавления фосфидной эвтектики.
Для нагрева^угунных деталей применяют индукторы особого устройства, которые обеспечивают двухзональный нагрев с тем, чтобы создать плавный переход структур и твердости от поверхности к сердцевине. С этой целью используют два индуктора; расстояние между индукторами около 10 мм. При нагреве с помощью таких индукторов в слоях, расположенных близ поверхности, в структуре имеются крупные включения игл мартенсита, а глубже расположен мелкоигольчатый мартенсит.
103
Если необходимо закалить деталь на глубину, большую, чем дает нагрев при установленном предельном режиме, ведут немедленно повторный нагрев того места, в котором нужно иметь закаленный слой большей глубины, не охлаждая при этом данный участок (спреер автоматически на этом участке выключается). Таким способом подогревают металл до 500—600° С и при последующем нагреве и закалке получают слой глубиной до 30 мм.
Оборудование, применяемое для индукционного нагрева, чрезвычайно разнообразно. Некоторые установки имеют высоту до 10 м и занимают площадь около 20 л/2; мощность генератора такой установки около 300 кв. В качестве примера применения индукционного нагрева приводим описание технологии термической обработки колец подшипника. Кольца, перед тем как поместить их в индуктор, поступаю^ в ванну, состоящую из масла и графита. Это необходимо для того, чтобы не изнашивались кварцевые направляющие, вмонтированные в индуктор. Перед установкой в индуктор кольца проходят через коридор с направляющими, где они центрируются. Проталкивание колец осуществляется с помощью гидропривода.
Одновременно в индукторе на длине 400 мм помещается 18 колец. Загрузка каждого кольца производится автоматически через любое заданное время в промежутке от 5 до 120 сек. Кольца выталкиваются последовательно одно за другим. Вышедшее из индуктора кольцо поступает в приспособление, в котором вращается, охлаждаясь в масле. Нагрев производится с помощью машинного генератора 125 кв, 2400 периодов; электродвигатель имеет мощность 150 кв, 50 периодов.
Необходимо отметить, что сталь предварительно отжигают в заготовках на мелкозернистый перлит для перевода карбидов хрома в твердый раствор и получения максимально легированного хромом аустенита, чтобы получить высокопрочный мартенсит.
Время нагрева устанавливают экспериментально в зависимости от марки стали (ШХ15, ШХ9, ШХ15СГ), ее теплопроводности и размеров колец. Закаленные кольца имеют твердость HRC60—66, излом матовый мелкозернистый.
Стоимость обработки колец при нагреве т. в. ч. меньше, чем при нагреве в соляной ванне, при расходе 0,5 кеч на 1 кг заготовок. Нагрев колец в электрической печи, расходующей от 0,42 до 0,47 кеч, на 1 кг ниже, чем при индукционном нагреве, но качество изделий при нагреве т. в. ч. значительно выше, так как более стабильны свойства.
Индукционный нагрев применяют также для закалки цементованных деталей, например шестерен. На рис. 49 изображен автомат для такой закалки.
Приведенные примеры указывают на широкую область применения высокочастотного нагрева для поверхностного упрочне-104
ния как стальных деталей, изготовляемых методом штамповки и точения, так и литых из стали, ковкого и серого чугуна, В табл. 54 приводятся некоторые практические данные.
Рис. 49. Автомат для закалки цементованных шестерен
Таблица 54
Глубина закалки и время нагрева образцов из стали 45 в зависимости от удельной мощности генератора
Операция	Удельная мощность в квт!смг	Глубина закалки в мм при частоте генератора в гц		Время нагрева в сек при частоте генератора в гц	
		3000	10 000	3000	10 000
Отжиг			0,143	0,125	6,4	7,6
Нормализация		0,8	0,108	0,096	6,3	7,5
Закалка и отпуск . . .		0,096	0,070	7,0	7,3
Отжиг			0,114	0,104	3,3	2,6
Нормализация		1,6	0,093	0,089	3,2	2,6
Закалка и отпуск ....		0,080	0,66	3,2	2,4
Отжиг	^	. .		0,110	0,094	2,4	1,4
Нормализация		2,4	0,089	0,080	2,5	1,3
Закалка и отпуск ....		0,072	0,062	1,9	1,2
Поскольку нагрев т. в. ч. происходит весьма быстро, рекомендуется иметь в стали минимальное количество элементов, образующих карбиды. Стали, содержащие карбиды хрома, молибдена
105
Таблица 55
Рекомендуемая температура закалки образцов 0 6 мм углеродистых сталей и минимальная твердость их
Содержание углерода в %	Температура закалки в °C	Среда охлаждения	HRC
0,30	900—925	Вода	50
0,35	875—900	»	52
0,40	850—875	»	55
0,45	825—850	»	58
0,50	800—825	»	60
0,60	775—800	Вода или	62
		масло	
и ванадия, необходимо нагревать до температуры на 100— 200° выше температур, указанных в табл. 55. Охлаждение рекомендуется производить эмульсией или в масле.
В табл. 56 приведены данные по выбору генераторов для различных условий закалки деталей.
Частота тока уменьшается с увеличением глубины слоя и возрастает с увеличением закаливаемой площади.
/ Охлаждение при закалке т. в. ч. производится водой или маслом, реже эмульсией или
воздухом, а также раствором поливинилового спирта. При воздушном охлаждении воздух под давлением пропускается через отверстия индуктора, просверленные под углом 30—50°. Вода очищается от механических примесей и подается под давлением 5—6 кГ/см2 при температуре 25—50° С.
Таблица 56
Выбор мотор-генератора в зависимости от размера закаливаемого слоя
Размеры закаленного слоя в мм		Частота тока моторгенератора в ец		
Г лубина	Ширина	1000	3000	10 000
0,125—2,5 2,50—5,0	35—50 50—100	Рекомендуется	Допустим Допустим	Рекомендуется
Детали из легированных сталей закаливают в масле погружением в бак или струями из спреера при давлении 5—6 kTJcm2 при 30—60° С. Цементированные детали после закалки т. в. ч. охлаждаются в масле.
Масло должно иметь высокую температуру вспышки. Для предупреждения загорания масла к индуктору при закалке подводят аргон. Режим закалки отрабатывают для каждой детали по твердости, структуре и отсутствию закалочных трещин. Регулировку температуры нагрева производят с помощью термопары или радиационного пирометра.
Легированные стали, содержащие небольшое количество карбидов или не содержащие их, можно обрабатывать по такому же режиму, как для углеродистых сталей.
106
Закалка крупномодульных шестерен из стали пониженной прокаливаемости
Процесс поверхностного упрочнения при нагреве т. в. ч. шестерен, изготовленных из стали пониженной прокаливаемости марок 55ПП и Уб, применяется при изготовлении крупномодульных шестерен с цилиндрическим и эвольвентным зубом заднего моста автомобиля, а также при изготовлении крупномодульных шестерен тракторов. Рекомендуется для изготовления шестерен
Рис. 50. Общий вид установки для закалки шестерен
модуля 3—5 мм применять сталь, имеющую критический диаметр по полумартенситу 6,5—9,0 мм. Для шестерен модуля 5—7 мм критический диаметр должен* быть 9—13 мм и для шестерен модуля выше 7 мм — больше 13 мм.
Окончательно изготовленные шестерни поступают на закалку в промытом и сухом виде. Шестерню помещают в индуктор и подвергают нагреву т. в. ч. различной частоты в зависимости от модуля зуба. Например, для нагрева шестерен модуля 3,75 мм при поверхности нагрева 180 см2 применяется ток частотой 8000 гц, а для нагрева шестерен модуля 6 мм при поверхности нагрева 1000 см2 — 2500 гц. При этом номинальная мощность генератора 100 кет. общее время нагрева соответственно 25 и 90 сек, температура нагрева 900° С, длительность охлаждения соответственно 3 и 6,5 сек и расход охлаждающей воды 15 и 100 л/сек.
107
Структура поверхностного слоя — отпущенный мартенсит, а сердцевины — троостосорбит. Соответственно твердость на поверхности зуба HRC 58—60, а сердцевины HRC 30—45.
Управление процессом нагрева и охлаждения автоматизировано.
Установка для закалки зубьев шестерен из стали марки 55ПП изображена на рис. 50.
Закаленные шестерни либо подвергаются отпуску при 180— 200° С в течение 1 ч, либо самоотпуску при 150° С. Процесс закалки шестерен из стали 55ПП экономичнее по сравнению с процессом газовой цементации, поскольку процесс цементации длится 10 ч, а закалка при индукционном нагреве не более 5 мин.
Стоимость стали 55ПП в 3 раза ниже стоимости стали 12ХН2Н4А. Сталь 55ПП имеет такой же предел контактной выносливости, как сталь ЗОХГТ, что делает их равноценными. В эксплуатации контактная прочность характеризуется усталостной прочностью поверхностного слоя, который у деталей из стали ЗОХГТ упрочняется цементацией с закалкой, а у стали 55ПП — закалкой при индукционном нагреве.
Таблица 57
Контактная прочность стали
Марка стали	Термическая обработка		Контактная прочность в кГ!мм2
	Вид	Глубина в мм	
ЗОХГТ	Цементация	0,9	190
ЗОХГТ	»	1,3	212
55ПП	Закалка	2	199
В табл. 57 приведены данные испытаний образцов на роликовом стенде конструкции А. В. Осипяна при контактном напряжении 270 кГ/мм2\ база определения контактной выносливости 5-107 циклов.
ГЛАВА III
ТЕХНОЛОГИЯ ХИМИКО-ТЕРМИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКИ ДЕТАЛЕЙ МАШИН
Процессы получения контролируемых атмосфер
Эндо- и экзогазовые атмосферы. Процесс нагрева стальных деталей и заготовок при ковке, штамповке и термической обработке сопровождается окислением или обезуглероживанием поверхностных слоев. Степень окисления зависит от температуры. Окисная пленка образуется уже при комнатной температуре, если на очищенную поверхность стали действует влажный воздух. Пленка состоит из Fe2O3. При температуре выше 100° С она становится заметной и в зависимости от толщины окрашивается в различные цвета побежалости от светло-желтого до василькового при 300° С и серого при 400° С. При температурах выше 600° С образуется толстый слой окалины, состоящий из окиси железа.
Окалинообразование зависит от содержания в печной атмосфере кислорода, водяных паров, углекислоты и других газов. Одновременно происходит и процесс обезуглероживания. Если атмосфера печи состоит из окиси углерода, углеводородов и других газов, содержащих углерод, то происходит процесс науглероживания.
Сильно окисляющая атмосфера вызывает окалинообразование без обезуглероживания, а слабо — обезуглероживание без ока-линообразования.
Контролируемые атмосферы в зависимости от назначения могут быть нейтральными, обезуглероживающими и науглероживающими [25]. Нейтральные атмосферы применяют для защиты от окисления и обезуглероживания, науглероживающие — при цементации, карбонитрировании, нитроцементации и других процессах химико-термической обработки. Обезуглероживающие атмосферы используются в специальных производствах, например при подготовке стали к холодной обработке деформированием, при обработке трансформаторной стали и пр.
109
В качестве нейтральной атмосферы используют ряд нейтральных газов: аргон, неон и чистый азот. Чистый азот не должен содержат следов кислорода.
Для гарантии от минимального окисления или обезуглероживания даже к нейтральным газам примешивают окись углерода или углеводороды в таком количестве, чтобы парализовать действие примесей окисляющих газов и действительно иметь нейтральный газ.
Степень обезуглероживающего и науглероживающего действия газа зависит от содержания углерода в стали. Необходима отметить, что легирующие элементы также изменяют склонность стали к окислению.
Решающее влияние на процесс науглероживания (или обезуглероживания) оказывает температура процесса. В качестве защитных атмосфер применяют газовую смесь, состоящую из окиси углерода, водорода, азота и углеводородов. Для нержавеющих сталей защитной атмосферой является аммиак. На машиностроительных заводах применяют две атмосферы: эндога-зовую «универсальную» — нейтральную при температурах выше 700° С (при температурах ниже 700° С эта атмосфера взрывоопасна) и экзогазовую — нейтральную при температурах ниже 700° С. Нейтральная контролируемая атмосфера должна отвечать следующим требованиям: простоте приготовления, низкой стоимости, не окислять и не обезуглероживать поверхности деталей при температуре термической обработки и не образовывать в печи сажи и кокса.
Науглероживающая атмосфера должна обеспечивать заданную степень науглероживания при химико-термической обработке (цементация, карбонитрирование, нитроцементация) и быть универсальной по отношению к различным маркам стали. Практически такие атмосферы можно получать из природного и светильного газов, пропана, бутана, метана и других газов путем сжигания их в газогенераторах в присутствии воздуха.
Для цементации можно применять чистые углеводороды, метанол, бензол и другие богатые углеродом вещества без сжигания их в газогенераторах и без очистки, вводя их непосредственно в рабочую камеру печи.
Так как природный газ состоит почти из одного метана (например, саратовский газ содержит 98,8% метана), полное его сгорание происходит по реакции
СН4 + 2 (О2 + 3,8N2) = СО2 -|- 2Н2О + 7,6N2.	(1)
В полученной атмосфере (правая часть уравнения) находятся СО2 и водяной пар, окисляющие и обезуглероживающие сталь. Отсюда следует, что метод полного сжигания природного газа для получения нейтральной атмосферы непригоден.
ПО
Требуемый газ может быть получен при сжигании с большим недостатком воздуха по реакции
СН4 + 72 (О2 + 3,8N2) = СО + 2Н2 + 1,9N2.	(2>
Как видно из этой реакции, полученная атмосфера состоит из смеси газов СО, Н2, N2, что отвечает составу нейтрального газа. Согласно уравнению (2) эта атмосфера состоит из 20% СО; 41% Н2и39% N2.
Уравнение (2) соответствует коэффициенту избытка воздуха а = 0,25. При увеличении содержания воздуха в камере вследствие попадания его через неплотности при сжигании природного газа наряду с реакцией (2) будет протекать и реакция (1). Поэтому в атмосфере появятся СО2 и Н2О (пары), вызывающие окисление стали. Поэтому необходимо контролирование присутствия этих газов.
Оба эти компонента вызывают реакцию
СО2 + Н2 = СО + Н2О.	(3)
Согласно этой реакции каждому содержанию СО2 в атмосфере соответствует строго определенное содержание Н2О. Поэтому представляется возможность регулировать по одному из этих элементов так называемый «углеродный потенциал» атмосферы, т. е. способность атмосферы науглероживать сталь до определенной концентрации. Необходимо отметить также, что из-за возможного неполного протекания реакции (2) в атмосфере может находиться небольшое количество СН4, СО2 и Н2О. Ниже приведен состав атмосферы, полученной из метана и воздуха по. реакции (2).
Состав типовой эндогазовой контролируемой печной атмосферы (нейтральной)
_	Содержание
Газ	в об. %
Окись углерода СО................... 16—20
Водород Н2 ......................... 38—40
Азот N2............................. 38—43
Метан СН4........................... До 1,5
Углекислота СО2..................... До 1,0
Водяной парН2О...................... До 25
По данным исследований, газовая среда, состоящая из. 20% СО, 40% Н2 и 40% N2 с небольшим количеством СН4, СО2 и Н2О при температуре 925° С, не реагирует с углеродистой сталью.
Содержание углерода в стали .изменяется на 0,1% (табл. 58) при повышении содержания в газе СО2 всего лишь на 0,036%, в то время как влажность может изменяться в значительно большей степени (до 2,82%).
111
Таблица 58
Зависимость содержания С02 и Н20 в % от содержания углерода в контролируемой атмосфере
со2	н2о	Точка росы	Углеродный потенциал
0,1	0,26	—9,5	0,9
0,2	0,56	—1,0	0,5
0,3	0,87	±6	0,35
Следовательно, ошибки в определении влажности (точки росы) не приведут к таким резким изменениям содержания углерода в стали, как это наблюдается при незначительной ошибке в определении СОг. Практически ошибки в определении содержания СОг прибором Орса составляют ±0,05%, а ошибки в измерении влажности по точке росы ±1%. Это
означает, что допустимая ошибка при измерении СОг может привести к обезуглероживанию до 0,76% С стали, содержащей 0,9% С, а стали с 0,5% С — к науглероживанию до 0,64% С. Такие изменения содержания углерода недопустимы.
Ошибка при определении точки росы может привести к меньшему обезуглероживанию стали, а именно до 0,86% С в стали с содержанием углерода 0,9% и к науглероживанию стали, содержащей 0,5% С, до 0.53 % С. Эти изменения в содержании
углерода вполне допустимы.
Сопоставление приведенных данных показывает, что регулирование углеродного потенциала атмосферы практически может производиться по влажности, измеряемой температурой точки росы. Однако, если в атмосфере содержится аммиак, то регулирование следует вести по СОг, так как аммиак разрушает литье
вые датчики.
«Универсальная атмосфера» с небольшим количеством СОг, Н2О и СН4 является слабым карбюризатором, так как ее цементирующие свойства определяются окисью углерода, ослабленной к тому же действием СО2 и Н2О, а науглероживающий газ СН4 в том количестве, в каком он присутствует, не может повлиять на науглероживание. На рис. 51 изображена схема приготовления контролируемой атмосферы, а на рис. 52 — эндогазовая установка с тремя газогенераторами.
При приготовлении эндогазовой контролируемой атмосферы газ (естественный) пропускается через реторту, обогреваемую извне, так как в ней имеется недостаточное количество воздуха (а = 0,25) для того, чтобы произошло полное сгорание.
При приготовлении экзогазовой атмосферы сгорание исходного газа происходит при достаточном количестве воздуха (а = 0,95) в самой реторте без внешнего обогрева. Для ускорения процесса получения эндогаза в реторту вводят катализатор ГИАП-З, состоящий из окиси алюминия, окиси никеля и алюминия. В обоих случаях можно получить из основного эндо- и экзогаза другие атмосферы: влажный экзогаз с точкой росы + 4,4° С (ПСС-06); экзогаз с точкой росы —40° С (ПСО-09);
112
8 Заказ 849
К печам
Рис. 51. Схема получения контролируемой атмосферы:
/ — лруба газопровода; 2 — шахтная печь; 3 — холодильник; 4 — смеситель: 5 — газогенератор; 6 — холодильник; 7 - прибор контроля точки росы; 8 — самописец
оэ
экзогаз с очисткой от СОг и осушкой с точкой росы +4° С (ПСО-06) и крекинг-газ с точкой росы +15° С (КГН).
Основным оборудованием для получения экзо- и эндогаза являются газогенераторы, скрубберы-охладители, абсорберы для поглощения СО2 и рефрижераторы.
Контроль по точке росы состава эндогазовой атмосферы представляет большую сложность, поэтому имеются попытки упростить состав атмосферы.
Рис. 52. Трехагрегатный блок газогенераторов
Одним из рентабельных способов создания атмосферы для процессов цементации, нитроцементации и карбонитрирования является использование чистого азота в качестве газа-носителя,, в который вдувается метан или бутан. Смесь вводят непосредственно в рабочее пространство печи, где происходит процесс крекирования метана или бутана и образуется атомарный углерод. Для этого процесса применяются специальные горелки. На рис. 53 изображена горелка, разработанная на заводе «Рено» (Франция). Смесь из метанола и азота вдувается в горелку; в камере горения метанол испаряется и затем смешивается с га-114
зом, состоящим из аммиака и пропана. Полученная науглероживающая атмосфера поступает в печь. Азот может быть заменен городским газом. Азот должен быть чистым (допускается не более 1,5% О2).
Очистка газа с помощью молекулярных сит. Газ-карбюризатор должен состоять из атмосферы носителя и науглероживающего газа. Атмосферой носителя является эндогаз. Он должен быть тщательно очищен от влаги, смол, кислорода, серы, тяжелых углеводородов. Для этого используется сложная в эксплуатации система скрубберов, наполненных веществом, поглощающим загрязнения.
Для упрощения процесса очистки в настоящее время применяют так называемые «молекулярные сита». Это абсор-
Рис. 53. Специальная горелка для подачи в печь азота и карбюризатора:
/ — ввод в печь; 2 — камера нагрева; 3 — сборник; 4 — метан; 5 — азот; 6' — смесь аммиак-пропан
бент, способный разделить газ на составляющие в зависимости от размеров молекул их вещества.
Молекулярные сита представляют собой минерал, полученный нагреванием соды и кальцийалюминиевых силикатов. Такие минералы носят название цеолитов. Эти минералы пористые. Размеры пор близки к размерам молекул газов и колеблются в пределах 4—15 А, а объем пор составляет до 50% от общего объема кристалла.
При пропускании газа, если его молекулы больше размеров пор цеолита, он будет задержан. Водяной пар, газы СО2, SO2 и H2S и окисльГ азота не проходят через поры цеолита, а газы N2, СО и О2 проходят. С помощью «молекулярного сита» можно выделить из газа воду, а из аммиака азот.
Молекулярное сито используется, например, для очистки экзогазовой атмосферы от СО2 и Н2О. Экзогаз по выходе из газогенератора содержит до 10% СО2 и до 20% Н2О.
Газы из газогенератора поступают в воздушный охладитель, где их температура снижается до 550° С, а затем попадают в колонки с «молекулярным ситом». Таких колонок три. В одной из них газ очищается от СО2 и Н2О, в другой регенерированный 8*	115
газ охлаждается холодным газом и в третьей регенерируются «молекулярные сита». Окончательно газ охлаждается в холодильнике. Продолжительность цикла 1 ч, после чего первую колонку переводят на регенерацию, вторую на охлаждение и третью на адсорбцию. Колонки переключаются автоматически. Поглотительная способность молекулярного сита 5 г на 100 м3 газа. В результате получается газ состава: 2,2% СО, 4,4% Н2 и 93,4% N2.
Регулирование углеродного потенциала. Автоматическое регулирование углеродного потенциала по принципу стабилизации его на заданном уровне или изменения по заданной программе может быть осуществлено с помощью приборов. Существуют методы прямые и косвенные. Прямые методы позволяют осуществлять регулирование углеродного потенциала по результатам непосредственного взаимодействия атмосферы с металлом. Косвенные методы основываются на регулировании состава газовой среды, в зависимости от которого находится углеродный потенциал.
Приборы для автоматического регулирования углеродного потенциала работают по принципам:
1)	воздействие воды на электропроводность соли;
2)	изменение электрического сопротивления проволоки в зависимости от ее науглероживания;
3)	поглощение инфракрасного излучения газа;
4)	воздействие тока на электролиз соляного раствора или органическую жидкость;
5)	конденсирование паров воды на холодной поверхности или при мгновенном расширении сжатого газа.
Наибольшее распространение получили приборы, работающие при воздействии инфракрасного излучения.
Прибор ИВ-439 конструкции КБ «Цветметавтоматика» с датчиком из микропористого эбонита и приборы фирмы Линдберг применяют для одновременного контроля атмосферы в пяти и более местах печного пространства. Принцип действия прибора ИВ-439 основан на зависимости электрического сопротивления эбонита от количества адсорбируемой на его поверхности воды из контролируемой атмосферы.
Прямое определение углеродного потенциала осуществляется с помощью датчиков, устанавливаемых в рабочем пространстве печи. Принцип действия датчика основан на том, что определенной концентрации углерода в датчике (чистое железо или железоникелевый сплав) соответствует определенное электросопротивление. Этот метод малоэффективен, так как датчики скоро выходят из*строя.
Для регулирования углеродного потенциала более приемлем прибор типа ГКД-1 конструкции УНИХИМ, основанный на неравновесном газовом мосте, являющимся датчиком состава 116
газовой смеси. В этом приборе устанавливается зависимость между науглероживающими и обезуглероживающими составляющими газа. Неравновесный газовый мост позволяет контролировать состав газовой среды по соотношению между плотностью и коэффициентом динамической вязкости. Этот способ позволяет более точно определять углеродный потенциал.
Изменяя соотношение воздуха и газа, создают возможность регулирования углеродного потенциала в зависимости от содержания в этой атмосфере СО2 или Н2О, которые появляются при а > 0,25.
Контроль углеродного потенциала по СО2
Таблица 59
Состав эндотермической атмосферы при различных отношениях газ — воздух (N2 в остатке)
Соотношение газ — воздух
Содержание в %			Точка росы в °C
СН4	н2	со	
1,2	48	28,6	—23,3
0,7	47,4	28,5	—9,5
0,4	45,0	28,0	0
0.3	43,0	27,6	12
0	42	27,2	20
2,3:1,0 2,1:1,0 1,9:1,0 1,7:1,0
1,5:1,0
Принцип регулирования углеродного потенциала в камере печи основывается прежде всего на тщательном приготовлении «универсальной» атмосферы в газогенераторе. В дальнейшем при добавке в печное пространство пропана, метана, бутана или	Таблица 59
природного газа поддерживает- Состав эндотермической атмосферы СЯ на нужном уровне углерод- при различных отношениях
v J J r J r	газ — воздух (No в остатке)
ныи потенциал во время всего ______________3 v 2_________7
периода науглероживания. В Соотноше- Содержание в % Точка ряде случаев цементация про- НИвОздуГ водится при высоком потенциа- --------------------------------
ле науглероживания в	начале	2 3 1 0	1 2	48	28 6	—23 3
процесса.	Затем углеродный	2J-L0	ОД	47,4	2в’,5	—9,5
потенциал	атмосферы	умень-	1,9:1,0	0,4	45,0	28,0	0
шается и содержание углерода
1.5:1.0	0	42	27,2	20
на поверхности стали в процес- *	_______________*
се дальнейшей выдержки падает до заданного.
В новейших конструкциях печей последний процесс производится в отдельной камере. Однако стабильность процесса зависит от стабильности состава газа по выходе из газогенератора. С этой целью применяется аппаратура для определения углеродного потенциала по точке росы на выходе из генератора.
Обращается внимание на следы содержания водяного пара и СО2 в эндогазовой атмосфере. При точной дозировке воздуха и природного^газа, подвергающегося сжиганию в газогенераторе, можно получить вполне чистый газ.
В табл. 59 приводятся данные, характеризующие зависимость влажности от отношения газ — воздух.
Для контроля углеродного потенциала по СО2 имеются приборы, сконструированные на основе применения инфракрасных лучей. Такой прибор имеет две спирали из никельхромового сплава, являющиеся источником инфракрасного излучения. Лучи направляются через две трубки из нержавеющей стали, позоло-117
ченные внутри. В одной трубке (эталонной) находится азот, а в другой контролируемая эндогазовая атмосфера. Оба пучка лучей направляются в камеру, заполненную чистым СО2. Пучки перед вводом в камеру проходят через отверстия стробоскопа, диск которого вращается и поочередно прерывает пучки инфракрасных лучей. Азот не поглощает инфракрасных лучей и поэтому через эталонную трубку пропускается все излучение в камеру с СО2.
В трубке, заполненной эндогазом, при прохождении ультракрасных лучей часть их поглощается пропорционально наличию двуокиси углерода в эндогазовой атмосфере и поэтому излучение их после прохождения через трубку слабее. Эта разница в излучении инфракрасных лучей сказывается поочередно на расширении и сокращении объема в камере с двуокисью углерода. В результате пульсирует мембрана, установленная в камере, что изменяет емкость конденсатора микрофона; возникает электрический импульс, который усиливается и подается на регулятор с записывающим устройством.
Точная зависимость между углеродным потенциалом и СО2 существует только тогда, когда газовая смесь, выходящая из газогенератора, находится в состоянии почти полного химического равновесия.
Газовый режим определяется отношением воздух — газ, температурой, действием катализатора и производительностью генератора; поэтому регулирование следует вести при строго установившемся положении и при постоянстве состава газа.
Смысл регулирования углеродного потенциала газа, выходящего из газогенератора, заключается в том, чтобы исключать небольшие колебания в его составе, возникающие по разным причинам.
В эксплуатации необходимо следить за состоянием газогенератора, трубопроводов и фильтров. В процессах химико-термической обработки (цементация, карбонитрирование, нитроцементация) с использованием специальных контролируемых газовых атмосфер необходимо при первоначальном пуске печи установить разницу между показаниями газогенератора и самой печи при установившемся процессе. Эти данные используют при эксплуатации печи как поправочные, поскольку режим науглероживания устанавливается экспериментально.
Необходимо иметь в виду, что только при науглероживании одних и тех же изделий и в одном и том же количестве, т. е. при постоянстве объема и поверхности изделий, могут быть получены точные результаты. Следует экспериментально отрабатывать газовую среду в процессе карбонитрирования, поскольку аммиак затрудняет создание равновесия в атмосфере.
Применение контроля углеродного потенциала по СО2 возможно также в вертикальных шахтных печах при условии под-118
бора жидкого карбюризатора, не выделяющего избытка сажи.
В современной практике получает применение метанол, который в отсутствии воздуха диссоциирует при температуре цементации почти полностью и создает нейтральную атмосферу, в которую затем добавляются различные вещества, содержащие углерод.
Газ, прежде чем поступить в прибор, очищают от сажи й для промывки от аммиака пропускают через раствор серной кислоты. Показания газоанализатора при этом записываются прибором
Рис. 54. Схема безмуфельного агрегата фирмы Штейн и Рубэ:
7 — камера нагрева; // — камера науглероживания; III — камера диффузии; IV — закалочный бак
ЭПД-32. В случае отклонения от заданного значения СО2 специальным клапаном регулируют поступление городского газа в печь.
Степень точности регулирования углеродного потенциала во многом зависит от конструкции печи. Поэтому новейшие печи для химико-термической обработки имеют изолированную камеру, в которой с большой степенью точности регулируется насыщение стали углеродом.
На рис. 54 изображена схема современной печи фирмы Штейн и Рубе (Франция) для химико-термической обработки деталей. В печи предусмотрена возможность регулирования углеродного потенциала в каждой зоне печи. Печь имеет три зоны: две (/ и //) разделены перемычками, а третья отделена от основной печи специальным затвором и представляет отдельную камеру. При такой конструкции осуществляется точный контроль углеродного потенциала в диапазоне 0,8—0,85% С. Это обеспечивает высокое
119
качество диффузионного слоя, в котором отсутствуют остаточный аустенит, нет крупных включений карбидов и тем более цемен-титной сетки.
При таком методе контроля качества диффузионного слоя по углеродному потенциалу не только стабилизируются физические свойства упрочненного слоя после закалки, но и снижается степень деформации деталей вследствие постоянства состава диффузионного слоя.
Выявившееся направление в конструировании агрегатов для процессов химико-термического упрочнения, очевидно, будет развиваться в направлении создания многокамерных печей, поскольку зональные печи все же не совершенны.
Процессы химико-термического упрочнения
Существуют различные способы химико-термического упрочнения стальных деталей: цементация в твердом карбюризаторе, карбонитрирование], цианирование, нитроцементация, азотирование, сульфоцианирование, сульфидирование, борирование, силицирование и др.
Процесс газовой цементации впервые был применен П. П. Аносовым в 1837 г. В начале тридцатых годов в США на заводе Крейслера была построена первая муфельная проходная печь для процесса газовой цементации (рис. 55).
В СССР первая цементационная муфельная проходная печь была построена в 1935 г. на заводе им. И. А. Лихачева (рис. 56) Одновременно была построена первая установка для получения крекинг-пиролизного газа для получения газового карбюризатора
1 Процесс карбонитрирования был разработан и внедрен на автозаводе им. И. А. Лихачева в 1959 г. для химико-термического- упрочнения изделий из стали 25ХГТ и 25ХГМТ. Название процесса «карбонитрирование» аналогично зарубежным названиям: английскому и американскому—carbonitriding и французскому — carbonitruration. Эти названия присвоены за рубежом процессу, который в СССР носит название «нитроцементация» во всем диапазоне применяемых температур и содержания аммиака.
Гудремон процессу газового цианирования дает второе название «процесс карбонитрирования», имея в виду процесс одновременного насыщения углеродом и азотом стали из газовой среды. Процесс карбонитрирования Гудремон характеризует получением в диффузионном слое близ поверхности зоны химических сред.
Такая именно зона образуется при ведении процесса карбонитрирования при 850—870° С и содержании аммиака в газовой среде не более 5% при обработке изделий из стали марок 25ХГТ и 25ХГМТ. Эта зона содержит в структуре дисперсные или средние карбонитриды.
Ввиду резкого отличия этого процесса (введение аммиака в газовую среду не более 5%, снижение температуры до 850—870° С) от процесса нитроцементации нами дано модифицированному процессу название «процесс карбонитрирования», так как углерод в данном случае имеет превалирующее значение, а азот является ускорителем науглероживания.
120
Рис. 55. Печь фирмы Крайслера
Рис. 56. Печь завода им. И. А. Лихачева
(рис. 57) а затем был построен первый безмуфельный агрегат. Крекинг-пиролизный газ получали из керосина.
Так как использовался керосин различных марок, не получалось стабильного состава газовой атмосферы. Печь часто забивалась сажей, когда в керосине было много непредельных углеводородов.
Рис. 57. Схема первой газогенераторной установки ЗИЛ:
1 — 5 — скруббер; 2 — сборник смолы; 3 — насос: 6 — отстойник; 7 — промывка цистерн; 8—9 — бачки: 10, И — затворы; 12 — емкости;
13 — холодильник
Первая печь имела три зоны:
1)	температура около 750° С, вследствие чего углеводороды, распадаясь, выделяли сажу, которая покрывала толстым слоем детали и препятствовала проникновению углерода с поверхности вглубь;
2)	температура 900° С; под действием сажи восстанавливалась двуокись углерода, которая давала атмосферный углерод; последний диффундировал с поверхности детали вглубь;
3)	температура 900° С; продолжался процесс диффузии углерода.
Недостатком этого процесса являлась сажа, которая, превращаясь в кокс, препятствовала диффузии углерода. В результате на поверхности деталей после закалки возникали места с пониженной твердостью.
Газ-карбюризатор приготовляют из естественного газа в отдельных установках, состоящих из газогенератора и очистных устройств.
122
Процесс газовой цементации является весьма сложным процессом, так как науглероживание зависит от многих причин: от химического состава стали, температуры, формы деталей, состава газа и нагревательного устройства печи. В ходе процесса непрерывно меняется химический состав стали пб углероду близ поверхности и получается как бы многослойная сталь без резко ограниченных слоев.
Науглероживание может быть произведено в различных газовых средах. Например, можно произвести цементацию в окиси углерода, в присутствии водорода, в метане и смеси метана с другими газами. При цементации в окиси углерода получающейся при сжигании древесного угля процесс идет неактивно. В малоуглеродистой стали удается повысить содержание углерода до 0,65%, а сталь, содержащая углерода 0,85%, в такой атмосфере не изменяет химического состава. В присутствии водорода в атмосфере окиси углерода малоуглеродистая сталь науглероживается до 0,8%, а высокоуглеродистая остается без изменения. Необходимо отметить, что при содержании СОг в атмосфере карбюризатора сталь высокоуглеродистая обезуглероживается с поверхности до содержания углерода 0,5%.
Процесс цементации совершается в три периода: 1) образуется атомарный углерод; 2) происходит абсорбция углерода на поверхности изделий; 3) углерод диффундирует в глубь металла.
По экспериментальным данным, различные элементы в аустените имеют растворимость: водород 0,0008%, азот 2,5%, углерод 2,14% и кислород 0,05%.
Среди процессов химико-термического упрочнения наиболее рентабельным является процесс карбонитрирования, заключающийся в насыщении поверхности при 850° С одновременно азотом и углеродом. Азот в этом процессе вводится в газовую смесь в количестве не более 5%.
Нитроцементация практически производится при температуре около 900—950° С при содержании аммиака в газовом карбюризаторе от 10 до 40%. Азот частично переходит в твердый раствор, частично образует карбонитриды.
Наличие в атмосфере углеводородов (метан, этан или бутан) 5i аммиака приводит к следующим реакциям:
NH3-CH4^HCN + 3H2;
2NH3 - C2He 2HCN + 5Н2.
При взаимодействии метана или другого углеводорода с аммиаком образуется соединение HCN, которое в эндогазе, являющемся носителем, распадается с выделением азота и углерода.
123
В процессе карбонитрирования образуется слой, состоящий из аустенита, мартенсита и карбонитридов; под ним располагается слой, состоящий из аустенита и мартенсита. При этом чем выше содержание азота в слое, тем больше аустенита в структуре стали. Механизм диффузии азота в стали тот же, что и углерода. Атомный диаметр азота 1,30 А, а углерода 1.34 А.
Процесс насыщения углеродом и азотом состоит в следующем. Насыщение стали азотом начинается при 600—650° С, и при достижении растворения в аустените 0,3% азота происходит одновременное насыщение азотом и углеродом вследствие снижения критической точки стали Aci до 600° С. С повышением температуры скорость диффузии углёрода и азота повышается и при 850° С она в 1,5 раза выше, чем при насыщении только углеродом.
Положительное воздействие азота сказывается также и на процессе закалки. Если сталь нагреть в цианистой ванне лишь до 625° С и закалить с этой температуры, то получается в поверхностном слое мартенсит (легированный азотом). Мартенсит, легированный азотом, более устойчив при отпуске, чем полученный после закалки цементованной стали.
Карбонитрированные детали подвергаются преимущественно ступенчатой закалке. После карбонитрирования их охлаждают в горячем масле при температуре около 180° С, а затем переносят в масляную ванну при температуре около 60° С или охлаждают воздухом при продувании. Происходит процесс перехода переохлажденного аустенита в мартенсит.
На ход процесса науглероживания влияет ряд факторов. При нагреве металла границы зерен перемещаются и получаются смешанные зерна, развивается субструктура и деформируется кристаллическая решетка, изменяется тонкая структура металла. Изменяется не только состояние границ, но и состояние матрицы зерна.
В результате дефекты кристаллической решетки сокращают пути диффузии элементов в стали. Фазовые превращения также влияют на ускорение процесса диффузии. Решетка перестраивается, что приводит к подвижности атомов и в местах перехода к новой фазе образуются разрыхления. После фазового превращения скорость диффузии углерода замедляется.
Горячая деформация менее эффективно влияет на диффузию, чем холодная. Объясняется это тем, что при холодной деформации происходит полигонизация структуры: образуется фрагментация и развивается блочная структура, что приводит к ускорению процесса диффузии.
124
Газовая цементация, карбонитрирование и нитроцементация. К качеству цементованных карбонитрированных и нитроцемен-тованных деталей предъявляют требование обеспечить прочность м износостойкость диффузионного слоя. Прочность слоя в значительной степени зависит от прочности исходного металла, поскольку необходимо, чтобы подслой (переходная зона) препятствовал продавливанию поверхностного слоя и при изгибе не имел хрупкости. От этого в большей степени зависит и износостойкость слоя. Обеспечить это можно, если слой будет необходимой глубины, а степень насыщения его углеродом или углеродом и азотом будет соответствовать техническим условиям.
Это положение в равной степени относится ко всем трем видам химико-термического упрочнения стальных деталей.
Широкое применение получил процесс газовой цементации. Газовую цементацию ведут либо в камерных печах, либо в методических печах.
В камерных печах с момента загрузки в камеру печи деталей, имеющую температуру выше точки Ас + 50° С, вводится газ-карбюризатор, состоящий из эндогаза с 3—5% городского газа или 1—2% газа, содержащего углерод для предупреждения от окисления поверхности деталей. С момента прогрева деталей до температуры Ас + 50° С процесс регулируется по углеродному потенциалу путем автоматической добавки городского газа или других газов, содержащих углерод, с тем, чтобы получить газ, точка росы которого должна быть —7° С, что соответствует содержанию углерода в поверхностном слое стали около 0,85%. Выдержка цри этих условиях зависит от необходимости получения слоя той или иной глубины. Охлаждение рекомендуется производить с подстуживанием в горячем масле (процесс ступенчатой закалки).
Если нельзя регулировать процесс цементации по углеродному потенциалу, процесс ведут в два этапа: 1) нагрев в эндогазовой атмосфере с добавкой 10—15% природного газа или 3—8% метана или пропана; 2) по истечении экспериментально установленного времени в печь вводят только эндогазовую атмосферу; при этом происходит диффузия углерода вглубь; устанавливается выдержка для того, чтобы содержание углерода в поверхностном слое было около 0,85%.
В методических печах науглероживающая атмосфера вводится в каждую из трех зон печи отдельно и регулируется по углеродному потенциалу для данной зоны.
Регуляторы состава газа установлены на каждом вводе газа в печную зону и действуют по сигналу прибора, контролирующего углеродный потенциал газа в печи. Рекомендуется содержание углерода в поверхностном слое на глубине около 0,2 мм поддерживать в пределах 0,8—0,9%. Процесс следует
125
заканчивать ступенчатой закалкой в горячем масле, после подстуживания.
При отсутствии регулирования углеродного потенциала необходимо следить за точной дозировкой метана и природного газа во избежание образования на поверхности деталей сажи» которая понижает точку росы и удлиняет процесс и даже может приостановить его при образовании на поверхности деталей кокса.
Количество вводимого газа, содержащего углерод, определяется экспериментально в зависимости от марки стали деталей» подвергающихся химико-термической обработке. Для стабилизации состава эндогаза необходимо вести автоматический контроль его при выходе из скрубберов после очистки и охлаждения. Для этой цели рекомендуется использовать регуляторы состава газа по точке росы.
Установлено, что независимо от содержания углерода в. исходном состоянии стали максимальная прочность слоя для данной стали будет получена, если в нем содержание углерода будет находиться в пределах 0,8—1,0% при соответствующей глубине слоя. При автоматическом регулировании степени насыщения углеродом можно предел содержания углерода сузить до 0,85—0,95% или 0,90—0,95%.
В диффузионном слое не должно быть крупных включений карбидов и тем более цементитной сетки и большого количества остаточного аустенита. Автоматическое регулирование углеродного потенциала по точке росы или по СО2 гарантирует стабильность качества поверхностного слоя, а повышение содержания углерода в стали при снижении глубины слоя обеспечивает повышение выносливости деталей, упрочненных химико-термическими методами.
Если дополнительно упрочнить поверхность детали дробью (создать сжимающие напряжения), можно повысить предел выносливости, например, для стали марки 25ХГМТ до 115 кГ1мм\
Однако имеется фактор, снижающий прочность стальных деталей после химико-термической обработки, это окисление легирующих элементов, входящих в состав стали. Окисление можно парализовать, если ввести в сталь при цементации некоторое количество аммиака. При карбонитрировании это явление если и проявляется, то в слабой степени [17].
Качество карбонитрированного слоя зависит от суммарного содержания С и N2, как показала работа, проведенная А. Т. Калининым и Я. К. Новиковой [14]. Конструкционная прочность различных марок стали, подвергнутых карбонитрированию и закалке с низкотемпературным отпуском при данной глубине слоя, характеризуется цифрами, приведенными в табл. 60.
Сопоставление полученных данных показывает, что с увеличением суммарного содержания С и N2 прочность при изгибе» 126
Таблица 60
Прочность образцов стали в зависимости от суммарного содержания С и N2
X ч СО	гое содер-и N2 в %	прочности 66 °изг 2	гная Ь G—1 S	вязкость М/СЛ12	X и	ое со дер-и N2 в* %	прочности ,бе ° из? 2	7 К О	вязкость чем2
Марка с	Суммарн жание С	Предел' при изги в кГ/мм	Усталосп прочност в кГ/мм	Ударная ан в кГ.	Марка с	Суммарн жание С	Предел при изги в кГ/мм	Усталое прочное! в кГ/мм	Ударная ан в кГ.
	1,0	220	92	2,5		1,0	140	—.	1,5
40Х	1,1	220	94	2,75	25ХГМ	1,1	158	70	1,5
	1,2	220	92	3,0		1,2	175	75	2,0
	1,3	218	91	3,25		1,3	190	84	2,5
	1,4	212	87	3,25		1,4	198	88	2,5
	1,0	—.	88				1,0	160	83	1,0
	1,1	200	88	2,75		1,1	175	85	1,5
25ХГТ	1,2	220	85	2,25	25ХГМТ	1,2	183	88	2,5
	1,3	218	80	2,0		1,3	185	90	3,0
	1,4	188	—	2,5		1,4	188	92	3,0
усталостная прочность и ударная вязкость у стали марок 25ХГМ и 25ХГМТ повышаются, а прочность при изгибе и усталостная прочность сталей 40Х и 25ХГТ снижаются, причем ударная вязкость более или менее стабильна.
Следовательно, у стали марок 25ХГМ и 25ХГМТ конструкционная прочность с увеличением содержания в слое углерода и азота повышается. Содержание С и N2 при одной и той же глубине слоя (например, 0,05 мм) у различных марок стали различно. Ниже приведены данные для слоя толщиной 0,05 мм.
Суммарное содержание С и N2 в слое толщиной 0,05 мм у различных марок стали
Марка стали ........................ С N?
40Х	..............................0,85—1,2
25ХГТ...............................1,00—1,15
25ХГМТ ..............................1,25—1,55
25ХГМ...............................1,25—1,55
Влияние молибдена в стали марок 25ХГМ и 25ХГМТ, содержащих такое же количество углерода и хрома, как сталь марки 25ХГТ, в значительной степени сказалось на увеличении содержания в слое углерода.
Большое значение имеет глубина слоя для выносливости.
Снижение прочности зубьев карбонитрированных шестерен по достижении оптимальной глубины слоя объясняется большей хрупкостью структуры вследствие увеличения содержания нитридов. При статическом испытании на разрушение зубьев шестерен
127
выяснилась равноценность качества цементированных и карбо-нитрированных шестерен при глубине слоя не выше 0,7 мм.
Необходимо отметить, что преимущество карбонитрирования перед цементацией выявляется при применении непосредственной закалки деталей в горячем масле (ступенчатая закалка). Преимущество заключается в том, что при высокой твердости поверхности (HRC > 60) сложные детали, например шестерни, деформируются в пределах чертежных допусков, что исключает шлифование зубьев и позволяет применить процесс хонингования, благодаря чему получается высокая точность зацепления зубьев шестерен, а это повышает долговечность их работы.
Наряду с процессом карбонитрирования применяется процесс нитроцементации, который производится при температуре 950° С, т. е. на 100° выше, чем процесс карбонитрирования. Газ-карбюризатор при нитроцементации должен содержать аммиака от 10 до 40% вместо 5% при карбонитрировании.
При охлаждении в нитроцементованном слое образуется большое количество дополнительных центров кристаллизации вследствие выделения дисперсных карбонитридов и закаленный слой по сравнению с цементованным слоем имеет более мелкозернистое строение.
В этом преимущество процесса нитроцементации перед процессом газовой цементации, который также производится при 950° С. Присутствие в слое карбонитридов повышает износостойкость нитроцементованной стали. Это также является преимуществом нитроцементации перед цементацией.
По сравнению с процессом карбонитрирования процесс нитроцементации менее качественен, так как при нитроцементации получается слой, в котором может присутствовать е-фаза и так называемая «черная составляющая». Такой слой менее вынослив при знакопеременных или сосредоточенных нагрузках, так как на поверхности образуется выщербление—питтинг.
Процесс насыщения углеродом и азотом можно также производить при низкой температуре: 600—650° С — низкотемпературное газовое цианирование. Этот процесс производится при разложении триэтаноламина или в смеси науглероживающих газов и аммиака. Применение эндогазовой атмосферы недопустимо вследствие опасности взрыва при такой температуре. При продолжительности процесса 6—10 ч получается слой глубиной 0,3—0,6 мм.
Целесообразно применять процесс низкотемпературного газового цианирования для упрочнения чугунных и стальных ко ленчатых валов.
Для мелках деталей, не испытывающих больших нагрузок, работающих при трении, также целесообразно применять низкотемпературное газовое цианирование. При охлаждении на воздухе таких деталей сердцевина не претерпевает фазовых превра-128
щений. На поверхности образуются карбонитриды, вследствие чего значительно повышается износостойкость.
Азотирование — насыщение стали азотом при 500—600° С в печах или ванне. Азотирование производится при температуре, когда железо находится в а-состоянии.
Это возможно, так как при 600° С растворимость азота повышается в a-железе до 0,42%. Реакция происходит с образованием нитридов Fe2N, Fe4N, азотистого феррита и азотистого аустенита.
Особенностью процесса является то, что можно получить без закалки весьма высокую твердость поверхности детали. Твердость поверхности стали, подвергнутой азотированию, достигает твердости цементованной и закаленной стали. Азотирование углеродистой стали малоэффективно, так как необходимы специальные добавки. Легированная сталь, предназначаемая для азотирования, должна содержать элементы, образующие специальные нитриды (хром, молибден, алюминий). Каждый из этих элементов имеет специфическое влияние на качество азотированного слоя: алюминий тормозит диффузию азота, образует нитриды, повышает твердость и ускоряет образование е-фазы; хром действует, как и алюминий, но повышает прочность сердцевины; молибден измельчает зерна аустенита и снижает чувствительность к отпускной хрупкости.
Содержание алюминия может быть повышено до 1,2%, когда необходимо максимально повысить твердость, однако это повышает хрупкость. Для снижения хрупкости следует вводить алюминий в сталь не более 0,5%.
Процесс азотирования в соляной ванне, содержащей цианистые соединения, происходит активно. Обычно применяют цианистые соли натрия и калия. Цианат натрия при температуре азотирования распадается на углекислый натрий (соду), цианистый натрий, окись углерода и азот. Процесс ведется при 550° С с продуванием воздуха для активизации процесса.
По сравнению с обычным процессом азотирования в печах процесс азотирования в ванне происходит быстро. При применении ванны, составленной из цианистого калия и цианата калия, глубина слоя около 0,4—0,5 мм может быть получена на образцах в течение 2 ч.
После азотирования усталостная прочность стали увеличивается. Рентгеноанализ обычно показывает, что в упрочненном слое имеется е-фаза (Fe2N), кроме того, присутствуют нитриды Fe4N (у-фаза) и азотистая а-фаза.
В массовом производстве по сравнению с газовым цианированием этот процесс может оказаться нерентабельным.
Сульфоцианирование. Сущность процесса сульфоцианирования заключается в обработке деталей в расплавленных слоях, содержащих цианистые соединения и активную серу. Нагрев произ-9 Заказ 849	129
Таблица 61
Состав ванн для сульфоцианирования
Состав ванны	Состав в % различных ванн			
	1	2 1	131	14
Цианистый натрий	34	95	90	95
Цианат натрия . .	—	—	7,6	—
Сульфит натрия . .	7	5	2,4	5
Хлористый калий	27	—•	—•	—
Углекислый натрий	16	—.	—.	—
Углекислый калий	16	—	—	—
водят в стальном тигле с элек-трическим обогревом и автоматической регулировкой температуры [22].
В табл. 61 приведены составы ванн для сульфоцианирования, применяемых на практике. Главной составной частью ванн является цианистый натрий.
Ванну для сульфоцианирования приготовляют следующим образом: смесь из KCN и кальцинированной соды рас
плавляют при 850° С; затем в ванну вводят цианистый натрий и нагревают до жидкотекучего состояния. После снижения температуры ванны до 560—570° С вводят 3% сернокислого натрия. В результате реакции окисления цианистого натрия в зоне соприкосновения с кислородом воздуха образуется цианат натрия:
2NaCN + О2 = 2NaCNO.
Цианат натрия окисляется кислородом воздуха и, разлагаясь, образует углекислый натрий, окись углерода и атомарный азот:
2NaCNO + О2 = Na2CO3 + СО + 2N.
Образовавшаяся окись углерода разлагается с выделением атомарного углерода: 2СО^СО2 + С.
Атомарный азот и углерод диффундируют в поверхностный слой металла с образованием карбидов и нитридов.
В процессе насыщения серой при термическом разложении сернисто кислого натрия
2Na2SO3 -» Na2S + Na2SO4 + О2
образуется сульфид натрия, который взаимодействует с цианатом: NaCNO + Na2S NaCNS + Na2O.
Образующийся роданистый натрий взаимодействует с поверхностью металла, которая обогащается серой, при этом образуются сульфиды FeS:
NaCNS + Fe + V2O2 FeS + NaCNO.
Температура процесса 570° С и выдержка в течение 2 ч. После обработки детали охлаждают в воде. Технология обработки включает операции: обезжиривание поверхности детали, загрузка в ванну, выдержка при температуре 560 ± 10° С в течение 2 ч, выгрузка деталей из ванны и охлаждение на воздухе, промывка деталей в горячем водном растворе соды и в горячей воде до пол-130
ного удаления солей, сушка горячим воздухом, промасливание обработанных деталей в горячем машинном масле.
В процессе работы необходимо периодически в ванны добавлять цианистые и сернокислые соли, чтобы общая концентрация цианида и цианата была не менее 10%, а активной серы 0,2—0,8%. Для предотвращения загустения состава добавляют хлористый калий в количестве, необходимом для поддержания жидкотекучего состояния солей при рабочей температуре ванны.
Процесс сульфоцианирования может быть эффективно использован во всех случаях для деталей, работающих при трении, и особенно в тех случаях, когда затруднена смазка.
Сера находится в поверхностном тонком слое в соединении с железом в виде FeS, вследствие чего в процессе приработки получается как бы смазывание поверхности металла серой, что при высоких давлениях предотвращает образование задира и дальнейший износ.
Наличие цианированного слоя под сульфидированным слоем обеспечивает сопротивление износу после того, как часть поверхностного слоя, содержащая серу, будет удалена в процессе приработки трущихся поверхностей.
Сульфидированные детали не рекомендуется подвергать доводочным операциям. Наличие в поверхностном слое под сульфидированным слоем карбидов и нитридов объясняет высокую твердость сульфидированной поверхности.
В зависимости от того, что важнее в работе деталей — общая износостойкость или предотвращение в начальный-момент задиров, регулируется изменение содержания сернистого железа и нитридов в слое путем изменения содержания в ванне сернистых и цианистых соединений.
Марстрейсингпроцесс. В практике химико-термического упрочнения применяется новый процесс «марстрейсинг». Процесс заключается в следующем: детали азотируют, затем нагревают до Ас + 50° С под защитной атмосферой и выдерживают при этой температуре около 30 мин и закаливают. При нагреве карбонитриды распадаются и твердый раствор легируется азотом. Закаливаемость стали повышается вследствие образования легированного азотом мартенсита. В результате возникают сжимающие напряжения большего значения, чем при закалке после цементации, что значительно повышает выносливость и долговечность работы деталей.
Сжимающие напряжения образуются на глубине до 0,5 мм, поскольку фазовое превращение аустенита в мартенсит вызывает увеличение объема металла наЗ—4%.
Напряжения, возникающие в поверхностных слоях, передаются вглубь. В сердцевине металл испытывает структурные изменения с запаздыванием.
9*	131
По сравнению с процессом карбонитрирования процесс «мар-стрейсинг» повышает усталостную прочность вследствие большего легирования мартенсита азотом.
Опыт показывает, что после выдержки в атмосфере азота и закалки в масле изделий сжимающие напряжения можно наблюдать на глубине около 1 мм.
Процесс применяется за рубежом при массовом производстве мелких деталей, для которых допустима деформация, но требуется большие выносливость и сопротивление износу.
Высокотемпературная газовая цементация. Применение высокотемпературной газовой цементации зависит от возможности использования печей с жаростойкой кирпичной кладкой и стали, не склонной к росту зерен при высокой температуре.
Так как цементационные печи имеют магнезитовую кладку, может быть принята максимальная температура 1000° С.
Для сравнения эффективности влияния температуры исследовались процессы цементации при 1150, 980 и 925° С; продолжительность процесса при каждой из этих температур составляла соответственно 1, 2, 3 ч. Исследование проводилось на четырех марках стали (табл. 62). Атмосфера состояла из 41% водорода, 10,6% окиси углерода, 5% метана и остальное азот. Во всех случаях повышение температуры цементации существенно увеличивало глубину слоя.
Таблица 62
Химический состав исследованных сталей
Элемент	Химический состав исследованных сталей в %			
	№ 1	№ 2	№ 3	№ 4
Углерод	0,20	0,16	0,21	0,16
Марганец	1,23	0,56	0,78	0,55
Фосфор	0,031	0,034	0,028	0,021
Сера	0,013	0,030	0,034	0,018
Кремний	—	0,24	0,32	0,27
Никель	—	1,77	0,64	3,37
Хром	—	—	0,58	1,25
Молибден	—	0,22	0,18	0,11
Таблица 63
Размер зерен после цементации в течение 3 ч при различных температурах* (8-балльная шкала)
Так, в углеродистой стали № 1 при цементации в течение 1 ч при 925° С получился слой глубиной около 0,5 мм, а при 1100° С за то же время — слой глубиной около 1,25 мм. При цементации той же стали в течение 3 ч при 925 и 1050° С глубина слоя соответственно была получена 0,82 мм и 2,5 мм.
132
Аналогично ведут себя и легированные стали. Так, после цементации никельмолибденовой стали № 2 в течение 3 ч при температурах 925, 980, 1050 и 1100° С глубина слоя соответственно получилась 1,0, 1,25, 1,81 и 2,15 мм. В хлучае малолегированной никельхромомолибденовой стали № 3 были получены слои соответственно глубиной 1,0, 1,38, 1,91 и 2,6 мм.
В случае применения высоколегированной никельхроммолиб-деновой стали № 4 была получена глубина слоя: 0,92, 1,18, 1,71 и 2,27 мм. В исследованных сталях наблюдался умеренный рост зерен, за исключением никельхромомолибденовой стали № 4, у которой рост зерна отсутствовал (табл. 63).
Данные табл. 63 указывают на различную чувствительность стали к росту зерен аустенита при повышении температуры. В сталях № 2, 3 и 4 молибден тормозит рост зерен при температурах до 1050° С. Сталь № 1, не содержащая молибдена, оказалась менее стойкой в отношении роста зерен при повышении температуры. Следовательно, для высокотемпературного процесса цементации необходимо подбирать сталь по склонности к росту аустенитного зерна. Как было показано ранее, задерживают рост зерен титан, церий и цирконий.
В результате высокотемпературного нагрева, как правило, прочностные свойства стали мало изменяются даже при значительном увеличении размеров зерен, пластические свойства снижаются, а ударная вязкость может быть повышена после повторного длительного низкотемпературного отпуска (150— 200° С).
Реставрационная и гомогенная цементация. Процесс реставрационной цементации применяют при восстановлении обезуглероженного слоя на поверхности исходного материала, например, после высадки деталей из специально обезуглероженного материала. Процесс ведут путем насыщения стали углеродом при регулировании углеродного потенциала до восстановления первоначального содержания углерода в детали.
Процесс гомогенизации заключается в науглероживании по всему сечению стали до необходимого содержания углерода. Например, штампованные детали из стали 08кп можно науглероживать до любого содержания углерода с помощью эндогазовой атмосферы с добавкой метана, регулируя состав газа по точке росы.
Применение этого процесса снижает расходы по штамповке, поскольку малоуглеродистая сталь штампуется легче и затраты на штампы и электроэнергию меньше по сравнению со штамповкой среднеуглеродистых сталей. Стоимость малоуглеродистой стали ниже, чем среднеуглеродистой.
Процесс гомогенизации можно в ряде случаев применять при изготовлении деталей штамповкой вместо обработки на металлорежущих станках из поковок.
133
Требования к качеству деталей, упрочненных химико-термическими методами
Структура стали оказывает большое влияние на износостойкость и прочность трущихся поверхностей. В связи с этим основной задачей применения химико-термического упрочнения деталей является получение структуры, стойкой против износа и обладающей максимальной прочностью.
Рис. 58. Нормальная микроструктура цементованного слоя (Х400)
Рис. 59. Микроструктура перенаугле-роженного слоя (Х400)
Полученная в результате химико-термического упрочнения структура на глубине 0,2 мм подразделяется на три вида: нормальную, перенауглероженную и обедненную углеродом.
Нормальная структура состоит из мартенсита, дисперсных карбидов (рис. 58) и небольшого количества остаточного аустенита. Структура сердцевины вблизи перехода слой — сердцевина состоит из мартенсита с включениями троостита; глубже она состоит из троостита и сорбита, чему соответствует постепенное изменение твердости от поверхности к сердцевине. Перенауглеро-женный слой, характеризуется структурой, изображенной на рис. 59. В нем содержатся крупные карбиды и цементитная сетка. У самой поверхности на глубине нескольких микрон находится слой аустенита.
134
При травлении микрошлифа карбонитрированной стали на поверхности обнаруживается узкая полоска, которую некоторые исследователи называют «белая составляющая». Исследования под электронным микроскопом показали, что эта «белая составляющая»— остаточный легированный азотом аустенит. В нем содержится некоторое количество мартенсита, что под световым
микроскопом не обнаруживается Структура слоя, обедненного 60. Она состоит из аустенита зерен наблюдается троостит. Наличие троостита по границам зерен аустенита приводит к снижению усталостной прочности стали.
Эффективной зоной считается зона с твердостью не ниже HRC 50. Измеряют ее на закаленном шлифе и по ней судят о глубине упрочненного слоя.
Насыщение сталей углеродом не должно вести к образованию крупных карбидов или цементитной пограничной сетки в диффузионном слое.
Некоторое количество цементита в виде дисперсных округлых включений желательно, потому что такие включения повышают износостойкость изделий.
Что касается остаточного аустенита в слое, то его не должно быть в деталях, работающих при больших знакопе-
углеродом, изображена на рис. и мартенсита, а по границам
Рис. 60. Слой, обедненный углеродом (Х400)
ременных удельных давлениях.
Остаточный аустенит под действием контактных нагрузок превращается в неотпущенный мартенсит, отличающийся хрупкостью.
Для деталей, работающих без знакопеременных нагрузок и при постоянном давлении, допускается содержание остаточного аустенита в диффузионном слое после цементации и закалки до 25% при глубине слоя 0,5—0,7 мм, а после карбонитрирования несколько больше. При таком содержании аустенита твердость поверхности не должна быть ниже HRC 58, так как диффузионный слой не продавливается и не образуется питтинг на рабочей поверхности детали.
135
Термическая обработка холодом
Работы С. С. Штейнберга и А. П. Гуляева в области мартенситного превращения послужили основанием для разработки теории и практики процесса обработки стальных деталей в ряде случаев холодом.
Обработка при минусовых температурах закаленной стали имеет целью максимально снизить содержание остаточного аустенита. Мартенситное превращение происходит мгновенно при определенной температуре, но не до конца; при дальнейшем понижении температуры образуются новые иглы мартенсита. Микроструктура после обработки холодом весьма разнообразна и состоит из зигзаговых и коротких игл мартенсита и некоторого количества остаточного аустенита. Рекомендуется подвергать детали, подлежащие обработке холодом, низкотемпературному отпуску для снятия напряжений. В противном случае могут возникнуть при охлаждении трещины. После обработки холодом детали обязательно отпускают при 180—200° С, поскольку образовавшийся мартенсит вызывает хрупкость.
В качестве хладагента применяют углекислоту, жидкий азот, жидкий кислород и др. Иногда используют отрицательную температуру воздуха в зимнее время, а летом температуру артезианской воды. Применяют также жидкий кислород, температура которого —183° С, жидкого воздуха —85° С и др.
В результате обработки холодом износостойкость поверхности стальных цементованных и закаленных деталей повышается. Например, обработка в жидком кислороде после цементации и закалки повышает износостойкость сталей: 12Х2Н4А — на 32%, 18ХГТ —на 16%, 18ХНВА — на 38% и 18ХГМ — на 37%.
Количество остаточного аустенита в закаленной стали после цементации тем больше, чем больше углерода в упрочненном слое. Никель и марганец способствуют получению остаточного аустенита. Сталь с содержанием 0,9% углерода и 4—5% марганца в закаленном состоянии имеет полностью аустенитную структуру.
Остаточный аустенит понижает твердость и прочность стали; твердость аустенита равна HRC 18—19, а предел прочности переохлажденного аустенита не выше 85 кГ1мм2. Если прочность закаленной конструкционной стали равна 150—175 кГ)мм2, то можно представить, как влияет аустенит на снижение местной прочности стали. Аустенит имеет плохую теплопроводность.
Распад аустенита зависит от температуры: при 120° С распад совершается в течение 7 мин, при 100° С—45 мин, при 80° С — 6 ч и при комнатной температуре — 5 лет.
Химический состав стали оказывает влияние на количество остаточного аустенита после закалки. При содержании около 7— 8% марганца задерживается превращение аустенита, и потому 136
при обработке холодом в структуре остается аустенит. В никелевых и хромоникелевых сталях с содержанием углерода около 0,6% при температуре — 40°С в мартенсит превращается около 70—80% аустенита. В результате действия холода на мартенситное превращение в стали с 0,8% углерода твердость повышается до HRC 70 за счет более полного перехода аустенита в мартенсит.
Практически для большинства сталей рекомендуется обработку холодом производить при —80° С. Необходимо иметь в виду, что процесс мартенситного превращения происходит при закалке только в области мартенситного интервала, поэтому охлаждение ниже точки Мк можно производить с любой скоростью.
После обработки холодом размеры детали увеличиваются вследствие образования мартенсита.
При полном превращении аустенита в мартенсит размеры деталей стабилизируются. Для снижения содержания аустенита после цементации и закалки иногда детали подвергают нагреву при 850° С, медленно охлаждают и снова нагревают до 780° С и закаливают.
Вследствие диффузии углерода при нагреве до 850° С количество его в слое уменьшается и в результате в закаленной структуре мало остается аустенита.
Этот процесс менее рентабелен, чем обработка холодом. Применяется он обычно при обработке деталей из хромоникелевых сталей марок 12Х2Н4А, 20Х2Н4А, 18ХНМА.
ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ ПРОЦЕСС ХИМИКО-ТЕРМИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКИ ШЕСТЕРЕН
Термическая обработка штамповок шестерен
Большое значение имеет процесс штамповки шестерен, поскольку многие последующие процессы механической, термической и химико-термической обработки зависят от качества металла в штамповках.
Размещение волокон металла в штамповках должно быть таким, чтобы соответствовало приложению сил при работе детали. Например, минимальная прочность при ударе получается в том случае, когда металл при штамповке течет перпендикулярно к оси рабочей поверхности, воспринимающей удар. При таком расположении волокон на рабочую поверхность выходят дефекты: микропустоты, шлаковые и газовые включения.
Наиболее выгодно расположение волокон металла вдоль контура изделия, так как в этом случае прочность на изгиб повышается.
137
От качества штамповки в большой степени зависит деформация шестерен, так как при неравномерной ковке металла степень наклепа металла при резании получается неоднородная. *
При соблюдении правил штамповки заготовок шестерен в 2 раза сокращается процесс шевингования, так как деформация таких шестерен после химико-термической обработки минимальна.
Неравномерная уковка влияет на обрабатываемость в весьма сильной степени вследствие различной плотности металла. Это можно наблюдать при обработке, например, блока шестерен, поскольку плотность металла шестерен, откованных вместе с валом, неодинакова. Кроме того, неодинаковая плотность металла в зубе вызывает снижение выносливости шестерен. Поэтому для ответственных деталей установлена характеристика металла в состоянии поставки по отношению прочности к плотности.
Неравномерная степень уковки металла влечет за собой повышенный износ поверхности зубьев химико-термически обработанных шестерен и преждевременную поломку.
Неодинаковую плотность металла в штамповке можно наблюдать, подвергнув штамповку травлению. Более плотная часть окажется более темной, и если отметить места, слабо уплотненные, в которых будут нарезаны зубья, то именно эти зубья износятся и поломаются раньше, чем расположенные в уплотненной зоне.
Деформация зубьев шестерен, изготовляемых высадкой, зависит также от степени обжатия штанг при деформации. Большая степень обжатия способствует меньшей деформации. Заготовки меньшего размера — недомерки служат причиной различной деформации шестерен вследствие неравномерной уковки металла и различной плотности.
Штамповки перед механической обработкой подвергают термической обработке для подготовки структуры к обработке на металлорежущих станках.
Как и при штамповке, степень равномерности нагрева для термической обработки штамповок имеет большое значение для обрабатываемости. Нагрев и охлаждение должны производиться равномерно.
Штамповки из малолегированных сталей подвергают нормализации. Необходимо следить за равномерностью охлаждения штамповок на воздухе после их аустенизации при температуре выше 950° С, для чего следует обеспечить раномерное охлаждение штамповок при обдувке струями воздуха. В отдельных случаях применяется полный отжиг штамповок.
Применяется также процесс охлаждения штамповок с ковочной температуры в соляной ванне при температуре около 550— 600° С и затем на воздухе. Этот способ сокращает время по сравнению с полным отжигом, обеспечивает равномерность охлажде-138
ния и лучшую обрабатываемость, исключает операции очистки и сокращает стоимость термической обработки.
Ступенчатый отжиг штамповок шестерен из хромоникелевых •сталей, например, марок 12Х2Н4А и 25ХГМ, и из сталей, содержащих молибден, производится следующим образом. Штамповки нагревают до температуры А с + 50° С, выдерживают до полной аустенизации, затем быстро охлаждают в камере подстуживания
или в соляной ванне до 550
Рис. 61. Дифференцированная структура перлит — феррит (Х400)
600° С, выдерживают затем в отпускной печи при 650—670° С в течение 3—4 ч. При этом получается структура дифференцированного перлита и феррита (рис. 61), при которой достигается хорошая обрабатываемость и минимальная степень
Рис. 62. Схема автоматической линии в кузнице (Х400):
1 — бункер; 2 — индуктор; 3 — пресс ковочный; 4 — пресс обрезной; 5 — печь
наклепа при обработке режущим инструментом. Штамповки, подвергающиеся нормализации с последующим отпуском, имеют также перлито-ферритную структуру, но не дифференцированную, что затрудняет обработку режущим инструментом заготовок.
Современный технологический процесс изготовления шестерен должен базироваться на прогрессивной технологии: нагрев под штамповку должен производиться т. в. ч. с применением защитного газа (аргона) для минимального окисления поверхности, а после штамповки заготовки шестерен должны поступать либо в контейнер, либо в вертикальную печь для замедленного охлаждения при прохождении второй и третьей зон печи с регулируемой температурой. После достижения температуры 400° С
139
шестерни поступают на транспортер, отправляющий их в склад штамповок или непосредственно в цех механической обработки. Твердость штамповок должна быть в пределах НВ 229—J79 (диаметр отпечатка 4,0—4,5 мм).
На рис. 62 показана схема размещения оборудования в автоматической линии на участке штамповки шестерен с использованием остающегося тепла для термической обработки.
Термическая и химико-термическая обработка шестерен
Зубья шестерен в механизма^ привода испытывают большие нагрузки от напряжений изгиба и сжатия. Мало и среднемодульные автомобильные, тракторные и станочные шестерни изготовляют из цементуемых сталей и подвергают цементации, карбонитрированию, нитроцементации или цианированию. Крупномодульные шестерни: привода металлургических агрегатов, тяжелых транспортных, железнодорожных и других машин изготовляют из среднеуглеродистых сталей и подвергают улучшению или закалке зубьев после индукционного или газопламенного нагрева.
Для изготовления шестерен применяется много марок стали, целесообразность использования которых объясняется либо технологическими, либо эксплуатационными условиями. Работа шестерен сопровождается многими явлениями, влияющими на надежность и долговечность их в эксплуатации. Износ, знакопеременные и ударные нагрузки, изгиб, температурный эффект и ряд других явлений, наблюдаемых при работе шестерен, должны быть учтены при выборе материала и технологии их изготовления. При выборе стали необходимо обращать внимание на прокаливаемость, обрабатываемость на металлорежущих станках, склонность к деформации, а также на присутствие дефицитных легирующих элементов и на ее стоимость. Кроме того, необходимо учитывать особенности производства стали в процессе плавки, прокатки и ковки.
Для изготовления шестерен применяют стали, содержащие никель и не содержащие никель; химико-термическая обработка шестерен из этих сталей различна.
Практика последних лет показывает, что применение сталей, содержащих никель, для изготовления шестерен резко сократилось. Это объясняется не только экономикой, но и усовершенствованием технологических процессов выплавки стали, механической и термической обработки, позволяющим при использовании малолегированных безникелевых сталей получить высококачест-веннные детали для автомобилей, тракторов и станков. Обычно шестерни подвергают химико-термическому упрочнению и лишь в. 140
отдельных случаях улучшению и закалке при индукционном нагреве.
Сталь для производства шестерен поставляется с различным содержанием углерода при одном и том же количестве легирующих элементов в зависимости от-того, какому процессу поверхностного упрочнения должны подвергаться шестерни. Для шестерен, подвергаемых цементации, содержание углерода принято иметь в пределах 0,15—0,25%, для нитроцементуемых или подвергающихся карбонитрированию 0,25—0,35%, для улучшаемых или цианируемых 0,35—0,45% и для подвергающихся индукционному нагреву под закалку 0,40—0,60%.
Для изготовления шестерен применяются марки стали, содержащие никель: 12ХНЗ, 12Х2Н4, 20Х2Н4А, 20ХНМА, 18ХНВА, 18Х2Н4ВА, 15ХГНТА и др. и не содержащие никель 18ХГМ, 18ХГТ, 25ХГТ, ЗОХГТ, 25ХГМТ, 20ХГР, 15ХГ2В, 15Х2Г2СВА и др.
Никелевые стали применяют преимущественно для шестерен, подвергаемых цементации, а безникелевые — для шестерен, подвергаемых карбонитрированию или нитроцементации. Особенностью безникелевых сталей является то, что они поставляются с размером зерна 7-8-го балла и легированы титаном, молибденом и бором в дополнение к марганцу, кремнию и хрому и раскислены алюминием.
Для изготовления шестерен, подвергаемых цианированию или карбонитрированию, применяют стали 40Х, 40ХНМ, 40ХМ и др., отличающиеся высокой прочностью (150—180 кГ1мм2).
Целесообразно шестерни из среднеуглеродистых сталей подвергать карбонитрированию вместо цианирования для исключения токсических условий работы. Получающийся с поверхности упрочненный слой вследствие высокопрочной сердцевины хорошо работает на износ при отсутствии питтинга.
Особое внимание следует обращать на стали, содержащие молибден. Присутствие молибдена в стали так же, как и никеля, способствует понижению порога хладноломкости, поэтому стали, содержащие молибден, могут быть рекомендованы для изготовления шестерен механизмов, работающих при минусовых температурах. Необходимо иметь в виду, что молибден способствует прокаливаемости стали и поэтому шестерни при модуле 20 мм и больше, изготовленные из молибденовой стали, более работоспособны, чем из стали, не содержащей молибден.
Для изготовления шестерен, подвергаемых индукционному нагреву для закалки, применяются стали марок: 55ПП, Уб, 40Х, 45.
Техническими условиями предусматривается поставка стали для изготовления шестерен по прокаливаемости. Например, если металл предназначен для изготовления шестерен модуля 3— 5 мм, то твердость на расстоянии 9 мм от торца стандартного образца должна быть в пределах HRC 35—45. Если металл пред
141
назначен для изготовления шестерен более крупного модуля (6— 10 мм), то твердость должна быть такой же, но на расстоянии 15 мм от торца. Эти нормы проверены практикой применительно к размеру зубьев шестерен. В закаленном и отпущенном состоянии твердость сердцевины зуба шестерни на высоте 2/3 от вершины должна быть в указанных пределах. Максимальное усилие при работе шестерен возникает близ начальной окружности, т. е. примерно на расстоянии 2/3 от вершины зуба.
Если шестерни подвергаются высокотемпературной цементации в индукционных установках, следует вводить в сталь цирконий наряду с титаном или церием (для торможения роста зерен аустенита при высоких температурах).
Для изготовления шестерен большое применение в автомобильной, тракторной и станкостроительной промышленности получают среднеуглеродистые стали. Особенно это заметно при внедрении на заводах процесса карбонитрирования, требующего прочной сердцевины при неглубоком слое на поверхности зубьев шестерен.
Немаловажное значение имеет селектирование стали не только по содержанию углерода, но и легирующих элементов, особенно влияющих на прокаливаемость (например, молибден). Выбор стали должен быть связан с металлургическим процессом производства стали. При одном и том же химическом составе и одних и тех же механических свойствах сталь, рафинированная или вакуумированная, будет обладать максимальной выносливостью вследствие чистоты от шлаковых, газовых и сернистых соединений.
Еще в большей степени можно повысить выносливость стали, если выплавить ее по способу электрошлакового переплава.
Во всех случаях в технических условиях следует оговаривать поставку стали по зернистости и прокаливаемости. Опыт показывает, что селектирование по углероду в пределах 0,05% имеет большое значение для качества шестерен. Например, в сердцевине зубьев шестерен модуля 4—5 мм, изготовленных из стали 18ХГТ, содержащей углерод в пределах 0,12—0,22%, при закалке образовывался феррит, в связи с чем была создана марка стали 25ХГТ с содержанием углерода 0,23—0,28%. Углерод в ней должен был бы находиться согласно положению в пределах 0,20— 0,30%, однако при содержании углерода ниже 0,23% понижается твердость сердцевины зубьев, а при содержании углерода выше 0,28% повышается деформация зубьев.
При конструировании шестерен необходимо учитывать прочность зубьев в термически обработанном состоянии. В первый момент приложения усилия при работе сопротивление сердцевины должно быть достаточным для того, чтобы предотвратить продавливание слоя, упрочненного химико-термическими методами.
142
Необходимо иметь в виду, что показатели прочности, опре^ деленные на образцах, вырезанных из штанги, имеют условное-значение и могут быть использованы для оценки прочности лишь при сравнении с другими марками стали. Судить о прочности ме-' талла целесообразно по образцам Фридмана с надрезом, термически обработанным по режиму ложной цементации, закаленным и отпущенным, которые позволяют выявить чувствительность металла к концентраторам напряжений.
В прокате не должно быть полосчатости (рис. 63), поскольку, помимо разупрочнения металла, наличие ее влияет на неравно
Рис. 63. Полосчатая структура стали марки 12Х2Н4А
Рис. 64. Структура цементованного слоя полосчатой стали
мерность насыщения стали углеродом при химико-термическом упрочнении (рис. 64).
Пятнистость, видимая на поверхности зубьев (рис. 65) шестерен, вызвана уменьшением содержания углерода в стали в этом месте и образованием при закалке троостита. При обнаружении флокенов на любой стадии изготовления шестерен вся партия шестерен должна быть забракована.
Как было отмечено выше, наиболее рентабельным и обеспечивающим долговечность работы шестерен является процесс карбонитрирования с непосредственной ступенчатой закалкой [23]. Закаленная поверхность зубьев шестерен, подвергнутых карбонитрированию, имеет твердость выше той, которую можно получить при тех же условиях охлаждения после закалки цементованной шестерни при одинаковой степени насыщения углеродом.
143-
В табл. 64 приведены данные, характеризующие длительность процессов химико-термического упрочнения шестерен при получении различной глубины слоя.
Рассмотрение данных таблицы показывает, что наиболее эффективным является процесс карбонитрирования при 870° С. По сравнению с нитроцементацией и цементацией длительность процесса при получении слоя одной и той же глубины значительно
сокращается.
Введение аммиака в газ-карбюризатор, применяемый для процесса газовой цементации, снижает время ведения процесса (с 6 ч до 4 ч 20 мин) при полу-
чении слоя глубиной 0,5— 0,7 мм\ при этом температура понижена с 950 до 900° С (процесс нитроцементации). При значительном понижении в газе-карбюризаторе содержания аммиака (5% против 10—40%) и снижении температуры с 900 до 850° С (процесс карбонитрирования) для получения слоя равной глубины продолжительность процесса сокра-
п „	щается на 1 ч по сравнению
Рис. 65. Пятнистые включения поверх-	Г
ности зуба шестерни	с0 временем, необходимым
для нитроцементации.
При карбонитрировании шестерен из стали 25ХГТ и 25ХГМТ
в структуре поверхностного слоя после закалки имеется незна
чительное количество остаточного аустенита; крупные включения карбонитридов и цементитная сетка отсутствуют. В сердцевине зубьев получается сорбитовая структура. Твердость на поверхности зубьев HRC 58—63, а в сердцевине HRC 35—45.
Охлаждение производят в горячем масле при температуре около 200° С с выдержкой от 1—5 мин, в зависимости от размера шестерен. Для снижения деформации перед закалкой шестерни подстуживают с 850—870 до 750—800° С.
Таблица 64
Длительность процессов химико-термического упрочнения
Глубина слоя в мм	Длительность упрочнения при температуре в °C			
	840	|	1	870	900	900
	Карбонитрирование	|		Нитроцементация |	Цементация
0,15—0,30 0,30—0,50 0,50—0,70	2 ч 30 мин 3 ч 30 мин 5 ч 15 мин	1 ч 30 мин 2 ч 30 мин 3 ч 30 мин	4 ч 25 мин	6 ч
144
В процессе охлаждения масло с помощью пропеллера перемешивается и подается в бак при давлении 3 кГ)см2. Для защиты масла от окисления, в результате чего образуется смола и масло густеет, теряя закаливающую способность, между поверхностью масла в ванне и крышкой герметизированного бака вводится азот. Охлажденные в баке шестерни до температуры масла (200° С) поступают в бак с маслом, нагретым до 60° С. Затем шестерни промывают в трехкаскадной моечной машине водносодовым раствором при 80° С. Промытые и высушенные шестерни поступают в отпускную печь с конвекционной системой нагрева, где отпускаются при 150—180° С.
Завершающей операцией является упрочнение шестерен дробью в дробеметной машине для создания на поверхности зубьев сжимающих напряжений. Если образцы после обработки дробью подвергнуть отпуску при 170—180° С, то в карбонитриро-ванном слое сжимающие напряжения снижаются до 33 кГ/мм2.
При увеличении глубины упрочненного слоя сжимающие напряжения уменьшаются и переходят даже в растягивающие, а при уменьшении глубины слоя они возникают близ поверхности.
Максимальную выносливость карбонитрированный слой получает при наклепе дробью после химико-термической обработки.
Шестерни, изготовленные из стали 25ХГМТ, обработанные дробью, имеют выносливость в 5 раз и более выше, чем необработанные, поэтому процесс наклепа дробью рекомендуется включать в технологический маршрут.
Газовая цементация шестерен при нагреве т. в. ч.
Исследование процесса цементации при нагреве т. в. ч. показало, что основным моментом ускорения насыщения углеродом стали является высокая температура. В связи с этим применение стали 18ХГТ оказалось весьма благоприятным, поскольку эта сталь не снижает прочностные свойства при нагреве значительно выше точки ДГ8,что было проверено на образцах, подвергавшихся нагреву т. в. ч. при температурах от 950 до 1200° С через каждые 50° С при выдержке в течение 30 мин при заданной температуре (см. табл. 68). Это явление объясняется повышением гомогенизации твердого раствора и максимальным растворением легирующих элементов (хрома, марганца) и упрочняющим действием дисперсных карбидов титана, которые при охлаждении выделяются на границах зерен и создают барьеры.
Вопрос влияния высокой температуры на качество цементованных деталей неоднократно освещался в литературе. Так, С. С. Строев отмечал, что нагрев до 1000° С не ухудшает механических свойств сердцевины цементованных деталей. Р. Я. Раузин, Э. Гудремон, И. И. Прокофьева и др. отмечали в своих работах отсутствие отрицательного влияния высокотемператур-10 Заказ 849	145
ного нагрева на качество стали. А. Н. Минкевич, разбирая процессы химико-термической обработки, считает, что детали простой формы и массивные по сечению, а также мелкие могут с успехом подвергаться цементации при температуре выше 950° С, что применение высокотемпературной цементации, позволяющей сократить в 2—3 раза длительность процесса, может оказаться вполне рациональным. Эти положения подтвердились и при использовании индукционного нагрева для газовой цементации шестерен (табл. 65).
Таблица 65
Механические свойства образцов стали 18ХГТ, нагретых т. в. ч. до 1200° С, отпущенных при 200° С
Температура закалки в °C	в /Г/мм2	as в к Г'мм2	6 в %	Ф В %	ан в кГмсм2
95Э	170	130			61	9,3
1000	168	127	10	60	8,7
1050	172	131	11,5	58	9,2
1100	174	134	12	61	9,7
1150	171	128	10	57	7,8
1200	170	130	10	59	7,6
При применении газовой цементации с нагревом шестерен т. в. ч. до 1050—1100° С и использовании стали 18ХГТ скорость цементации повысилась в 8—10 раз. Процесс длился с момента помещения шестерни в индуктор всего 45—60 мин для получения слоя глубиной 0,8—1,2 мм вместо 7—8 ч при цементации на туже глубину в муфельных цементационных печах. Шестерни в процессе нагрева в индукторе прогреваются полностью и процесс насыщения углеродом происходит по всей поверхности.
Деформация шестерен, как показал опыт массового производства, находится в пределах норм, установленных для шестерен, цементующихся в печах с непосредственной закалкой. Так же как и при обычном способе обработки, допуск на деформацию зубьев устанавливался подбором размеров незакаленных шестерен с учетом стабильности деформации после термической обработки. Изображенная на рис. 66 микроструктура цементованного слоя показывает отсутствие перегрева и избытка цементита и аустенита.
При внедрении процесса газовой цементации при индукционном нагреве были использованы стали 18ХГТ и ЗОХГТ. В этих сталях имеются элементы, способствующие росту зерен, тормозящие его и нейтрально действующие при высокотемпературном нагреве.
При насыщении стали углеродом выше эвтектоидного состава дисперсные карбиды титана препятствуют образованию цемен-146
титной сетки, распределяясь по границам зерен, сохраняющихся в течение всего времени нагрева.
Гудремон [11] отмечает, что присадка титана измельчает зерна аустенита в цементованном слое и это является характерным его свойством.
Процесс газовой цементации при нагреве т. в. ч. заключается в следующем: с момента ввода шестерни в зону нагрева вертикальной печи, в стенке которой расположен многовитковый индуктор, начинается быстрый нагрев зубьев шестерни с поверхно-
сти по контуру вследствие скин-эффекта, а затем происходит прогрев центральных зон за счет теплопередачи.
Необходимо обратить внимание на то обстоятельство, что процесс аустенизации при нагреве т. в. ч. происходит иначе, чем при других способах нагрева. Переход цементита перлита в аустенит совершается при более высокой температуре (значительно выше точки Лб1), поэтому диссоциация цементита происходит значительно быстрее, чем при обычном нагреве. При этом вблизи цементита образуется высокоуглеродистый аустенит, а вдали одновременно, малоуглеродистый аустенит.
Рис. 66. Нормальная структура цементованного слоя (Х400).
Выравнивание концентрации углерода в аустените происходит при более высокой температуре, чем при обычном нагреве. Разница в концентрации углерода в аустените зависит от скорости на
грева. Чем выше скорость, тем больше разница. При повторном; нагреве имеется возможность вести нагрев зуба с помощью блока регулирования напряжения с изотермической выдержкой, вследствие чего получается равномерный нагрев и прогрев зубьев при. подборе времени нагрева. Сталь, применявшаяся для изготовления шестерен, подвергавшихся высокотемпературному нагреву т. в. ч. при химико-термическом упрочнении, имела зернистость-7—8-го балла и содержала титан. Титан образует теплостойкие карбиды.
Исследования П. И. Коган и Р. И. Энтина подтверждают возможность диссоциации карбидов титана при температурах значительно ниже 1300° С, поскольку карбиды титана в присутствии Ю*	147
марганца, ослабляющего связь между атомами карбидообразующего элемента (титана) и углеродом, диссоциируют при более низкой температуре.
При подстуживании перед закалкой цементованной стали из аустенита выделяются дисперсные карбиды преимущественно по границам зерен, вследствие чего прочность стали повышается.
При температурах нагрева выше 950° С в сталях 12Х2Н4А, 20Х2Н4А и др., не содержащих теплостойких карбидов, но имеющих в структуре карбиды хрома, легко переходящие в твердый раствор, происходит чрезмерный рост зерен аустенита и в структуре в цементированном слое после закалки наблюдаются карбиды в виде крупных включений и карбидная сетка. Поэтому эти стали не могут быть использованы для цементации при нагреве т. в. ч.
В результате проведения работы были установлены основные положения, характеризующие процесс:
а)	ускорение процесса науглероживания происходит благодаря воздействию высокой температуры;
б)	нагрев стали до температуры выше точки Аса происходит в доли секунды, поэтому время цементации значительно сокращается и скорость диффузии повышается с ростом температуры, регулирование которой можно производить автоматически;
в)	на поверхности во все время нагрева можно поддерживать постоянную температуру, что стабилизирует качество слоя;
г)	длительность процесса может быть отрегулирована и может быть создан ритм, идентичный ритму выпуска деталей с металлообрабатывающего станка на последней операции; поэтому установки для газовой цементации при нагреве т. в. ч. можно монтировать в потоке механообрабатывающего цеха.
Важнейший фактор в процессе химико-термической обработки— температура при индукционном нагреве становится стабильной вследствие автоматической регулировки подачи тока в индуктор. При стабильном составе карбюризатора и регламентировании температурного режима качество цементованного слоя может быть стабилизировано, что повышает долговечность работы таких сложных изделий, как шестерни.
В этих установках при нагреве током 2000 периодов при температуре 1050° С в течение 45 мин получался науглероженный слой глубиной 0,8 мм. 25 мин из 45 мин затрачивалось на нагрев до 1050° С и 15 мин на выдержку. Науглероженные шестерни выходили из индукционной печи через 2 мин. Обработке подвергались шестерни коробок передач модуля 4—5 мм, изготовленные из стали 18ХГТ.
На рис. 67 изображен общий вид установки \ а на рис. 68— ее схема. Схема автоматического управления механизмами уста-
1 Авторское свидетельство № 96781.
148
новки показана на рис. 69. Установка состоит из шахтной печи, закалочного бака и механизма транспортирования шестерен через загрузочную и выгрузочную камеры и подъемного механизма для перемещения шестерен в печи.
Проведенная работа 1 (1] показала, что в этой установке можно производить не только цементацию, но и нитроцементацию, изменив режим нагрева и состав атмосферы. Процесс высокотемпературной цементации при нагреве т. в. ч. приобретает особое
Рис. 67. Общий вид одноручьевого агрегата
значение в связи с созданием автоматизированных комплексных установок.
Подобного рода установки могут быть использованы для сложной формы деталей, как крупных, так и мелких, поскольку существуют индукторы весьма разнообразной формы.
Основной частью индукционного агрегата для газовой цементации является печь. На рис. 70 изображена схема печи периодического действия с нагревом деталей т. в. ч. Рабочее пространство печи представляет собой герметизированную шахту, выложенную обычным шамотным кирпичом. В шахту вставляется керамическая труба 9, изолирующая витки индуктора 4, расположенные на стенках шахты.
1 Авторское свидетельство № 92358.
149
Crt О
Рис. 68. Схема одноручьевого агрегата
Труба изготовлена из кварцита с 2% борной кислоты. Смесь прессуют в специальной прессформе и затем об*игают при 1300° С.
Индуктор представляет собой многовитковую катушку, изготовленную из медной трубки прямоугольного профиля. Трубка во время работы охлаждается водой. Электрическое п'|тание производится через ввод 5, тщательно уплотненный. Шестерни 6
Рис. 69. Схема автоматического управления механизмами установки:
— толкатель; // — подъемник; /// — толкатель: IV — передатчик ~ при' емник; VI — выгружатель; VII — механизм перемещения щестеРен
размещают симметрично относительно полой оси 7 И3 немагнит-ной стали. Ось надета на центрирующий шпиндель 8, охлаждаемый внутри водой.
Между садкой и футеровкой имеется зазор 10—15 мм> в который вводят цементирующий газ через трубку 10 и коллектор Н-Отработанный газ выходит через трубку 12. Контроль температуры осуществляется с помощью фотопирометра фП’2. головка которого направляется на боковую поверхность зуба шестерни через специальное отверстие в кожухе печи. Подъем крышки осуществляется с помощью пневматического цилиндра Печь смонтирована на каркасе 14. Кожух печи 1 изготовлен из немагнитной стали 18ХН25С2. Сверху печь закрыта крышкой 2 с герметическим затвором 3. Затвор может быть песочный или механический. Питание печи осуществляется от генераТ0Ра мощностью 150 кет и частотой тока 2000 гц.
151
Влияние высокотемпературного нагрева на прочность и пластичность исследовалось на сталях 18ХГТ, ЗОХГТ, 12Х2Н4А, 18ХНВА. Наиболее убедительными в отношении отсутствия отрицательного влияния высокотемпературного нагрева на механические свойства стали являются испытания, произведенные на
образцах с надрезом (Фридмана) при отрицательных температурах (табл. 66).
Средние значения механических свойств образцов испытанных сталей, подвергнутых нагреву до 1100° С, выдержке при этой температуре в течение 30 мин, закалке в масле и отпуску при 200° С в течение 60 мин, приведены в табл. 67. Наличие в стали дисперсных устойчивых карбидов титана задерживает рост зерен аустенита при нагреве.
Это показывает сравнение действительного размера зерен аустенита стали 18ХГТ, ЗОХГТ и 12Х2Н4А (табл. 68). Например, у стали 12Х2Н4А при 1000° С зерно аустенита соответствует 3—
Рис. 70. Схема печи периодического действия
4-му баллу, в то время как у стали марки 18ХГТ такой размер зерна получается при нагреве до 1100° С. Это позволяет для стали с карбидами титана температуру цементации повысить до 1050° С, что сильно сокращает
длительность процесса.
Таблица 66
Механические свойства стали 18ХГТ при —40° С после нагрева до различных температур
Температура в °C	as в кГ!ммг	ад в кГ/мм*	8 в %	Ф В %	ан в кГмем*.
950	100—115	121—131	13—13,3	57—57,8	8,8—8,9
1050	104—112	122—130	12—15	59—62	6,8—7,6
1100	107—125	119—139	12—12,7	54—57	5,9—5,9
1150	92—121	114—144	12—15	52—57	4,0—5,1
152
Таблица 67
Средние механические свойства сталей различных марок, закаленных с 1100° С и отпущенных при 200° С в течение 60 мин
Марка стали	°т в к Г мм2	в ь Г мм2	в кГ'мм2	Б в %	Ф В %	ан в кГм см2
18ХГТ	117,1	127	143	11,8	53,5	9,4
ЗОХГТ	124,6	139,2	150	11,5	53,0	9,2
12Х2Н4А	105,8	116,8	138,3	12,9	58,5	13,8
Таблица 68
Влияние температуры на рост зерен стали
Температура нагрева в °C	Балл зерна исследованных сталей		
	18ХГТ	ЗОХГТ	12Х2Н4А
950	8	8	6—7
1000	8	8	3—4
1050	5	4—5	3
1100	3-4	4	2
1150	3	3	1—2
1200	3	3	1
1250	3	2	1
1300	2-1	1	1
Таблица 69
Выносливость марок стали при испытании на кручение
Марка стали	Предел усталости при кручении в кГ/мм2	Твердость НВ
18ХГТ ЗОХГТ	49 53	415 415
Примечание. База испытания 5 - 10е.		
Произведенные исследования усталостной прочности на кручение на образцах стали марок 18ХГТ и ЗОХГТ, подвергавшихся цементации при нагреве т. в. ч. при температуре 1100° С, подтверждают, что, несмотря на рост зерен аустенита, прочностные свойства стали не ухудшаются. Образцы из стали марок 18ХГТ и ЗОХГТ, подвергнутые обычной газовой цементации на глубину 0,9—1,о мм при 930° С и цементации при индукционном нагреве при И00° С на ту же глубину и непосредственно закаленные, испытанные на усталость кручением при 5-Ю6 циклах показали одинаковый предел выносливости 60—70 кГ1мм2.
Это подтверждает, что высокотемпературный нагрев в процессе цементации образцов из стали указанных марок при 7—8 баллах действительного зерна в состоянии поставки не влияет на снижение выносливости стали.
В табл. 69 приводятся данные усталостной прочности при кручении образцов из стали 18ХГТ и ЗОХГТ, подвергавшихся нагреву до 1100° С и выдержке при этой температуре в течение 30 мин, непосредственной закалке после подстуживания при 870° С и отпуску при 200° С.
Высокотемпературный нагрев оказывает положительное влияние на качество стали, о чем свидетельствуют данные табл. 70.
153
Таблица 70
Механические свойства стадо 18ХГТ, нагретой до 1100° С с выдержкой 30 мин, подстуженной до 870° С, закаленной в масле и отпущенной при 200° С
Температура в °C	os в кГ мм2	ад в кПмм2	s В %	Ф В %	ан в кГм см2
950	108	129	10	56	11,5
1000	115	130	13	63	13,1
1050	130	141	12	63	12,5
1100	114	132	13	63	11,6
Анализ этих данных указывает на то, что высокотемпературный нагрев при длительной выдержке (30 мин) не повлиял на снижение вязкости стали и при этом сохранилась высокая прочность. Многократное повторение опыта подтвердило полученные результаты. Ниже приведены данные ударной вязкости, полученные на образцах из стали марки 18ХГТ, закаленных после выдержки 30 мин и отпущенных при 200° С.
Ударная вязкость образцов стали 18ХГТ
Температура нагрева в °C .... 1100 1100 1100 1150 1150 1150 1150 Ударная вязкость ан вкГм/см2 . . 11,8 11,2 11,5 11,5 11,2 10,8 10,8
Многочисленные статические испытания зубьев шестерен, подвергавшихся газовой цементации при индукционном нагреве, изготовленных из стали марок 18ХГТ, ЗОХГТ, 12Х2Н4А и 18ХНВА с природным зерном в исходном состоянии 7—8-го балла, позволили создать представление о влиянии высокотемпературного индукционного нагрева на прочность зубьев шестерен модуля 4—5 мм.
В табл. 71 приведены данные испытаний зубьев шестерен на статическую прочность, упрочненных химико-термическими методами (обычный процесс газовой цементации и газовой цементации при индукционном нагреве).
Рост зерен стали происходит скачкообразно по достижении определенной температуры для каждой стали. Сталь 18ХГТ, выдержанная в течение нескольких часов при 950° С, не меняет размера зерна, который в среднем равен 850 мк2. Повышение температуры до 1050° С вызывает рост зерен до 9500 лх2, а при 1150° С размер зерен достигает 29 500 мк2. Выдержка при 1050° С в течение 1 ч 30 мин не вызвала роста зерен в стали 18ХГТ.
Приведенные данные позволяют сделать следующие выводы:
1.	Зубья шестерен, изготовленных из стали марок 18ХГТ и ЗОХГТ с природным мелким зерном 7—8-го балла после обычной 154
газовой цементации и непосредственной закалки и скоростной цементации при нагреве т. в. ч. как с непосредственной закалкой, так и с последующим повторным нагревом венца, имеют прочность одного порядка.
Таблица 71
Прочность зубьев шестерен при статическом испытании
Марка стали	Глубина слоя в мм	Твердость HRC		Разрушающая нагрузка в к Г	Технологический процесс
		поверхности	сердцевины		
18ХГТ ЗОХГТ	0,8—1,0 0,8—1,0	58—60 57—59	35—40 40—45	12 100 13 000	Обычная газовая цементация, закалка, отпуск
18ХГТ ЗОХГТ 12Х2Н4А 18ХНВА	0,8—1,0 0,8—0,9 0,9—1,0 0,7—0,8	58—60 57—59 53—54 50—53	38—43 40—45 38—39 38—41	12 950 11 120 13 700 12 350	Газовая цементация при нагреве т. в. ч., закалка, отпуск
18ХГТ ЗОХГТ 12Х2Н4А 18ХНВА	0,8—1,0 0,6—0,8 0,6—0,8 0,7—0,9	57—60 57—60 56—57 56-57	38—42 40—43 38—40 41—45	13 830 12 280 19 080 19 720	Газовая цементация, при нагреве т. в. ч., вторичный нагрев обода т. в. ч., закалка, отпуск
2.	Зубья шестерен из высоколегированных сталей (12Х2Н4А и 18ХНВА), цементованных при нагреве т. в. ч. и непосредственно закаленных, имеют прочность, идентичную прочности зубьев шестерен из стали хромомарганцовотитановых марок 18ХГТ и ЗОХГТ.
3.	При повторном нагреве т. в. ч. и закалке шестерен из стали марок 12Х2Н4А и 18ХНВА после газовой цементации при нагреве т. в. ч. прочность на 40—50% увеличивается. Следовательно, шестерни из стали, содержащей карбиды титана, целесообразно обрабатывать с непосредственной закалкой после цементации; шестерни из сталей, содержащих никель, следует обрабатывать с повторным нагревом зубчатого венца для закалки.
Выводы, вытекающие из результатов исследования прочности зубьев шестерен из стали 18ХГТ, подтвердились эксплуатационными испытаниями шестерен в коробках передач автомобилей. Выпуск нескольких миллионов штук шестерен трех наименований, изготовленных из этой стали, показал технологичность процесса и возможность установки индукционных агрегатов в линии механического цеха.
155
Качество шестерен, упрочненных химико-термической обработкой
Качество шестерен после химико-термической обработки оценивается не только по структуре и твердости, но и по степени деформации. Деформация нарушает контакт поверхностей зубьев и «пятно контакта» смещается. Вследствие этого удельные давления на поверхность зуба увеличиваются, что ускоряет износ и усталость цементованного или карбонитрированного слоя.
Современная технология механической обработки шестерен включает операции шевингования и хонингования поверхности зубьев, а это становится невозможным при деформации шестерен за пределами допусков, которые устанавливаются в диапазоне сотых и тысячных долей мйллиметра. Например, допускается деформация отверстия шестерен модуля 3—4 мм не более 0,05 мм по диаметру шлицевого отверстия, т. е. 0,025 мм на сторону. Обеспечение таких требований, однако, стало реальным при использовании марок стали 25ХГТ и 25ХГМТ и процесса карбонитрирования.
После карбонитрирования со ступенчатой закалкой и обработки дробью шестерни модуля до 5 мм должны иметь:
а)	твердость на поверхности зубьев шестерен переменного включения HRC 58—60, твердость поверхности зубьев шестерен постоянного зацепления может быть выше HRC 60; такая же твердость должна быть и на поверхности шлицевых отверстий шестерен, работающих «сталь по стали»;
б)	глубину карбонитрированного слоя 0,5—0,7 мм до появления феррита на отожженном шлифе или закаленном шлифе, где твердость должна быть HRC 50;
в)	твердость сердцевины зуба HRC 0,35—0,45;
г)	биение начальной окружности 0,08 мм\
д)	деформацию зуба по толщине не более 0,04 мм\
е)	деформацию по диаметру отверстия и конусность не более 0,05 мм.
В процессе хонингования профиля зуба вместо шлифования снимается слой металла толщиной в несколько микрон; при этом сохраняются размеры зубьев шестерен после термической обработки в пределах чертежных допусков, которые равны сотым долям миллиметра.
В условиях массового производства минимальная деформация шестерен достигается благодаря выполнению комплекса требований к металлу и технологии. Деформация шестерен прежде всего зависит от способа производства стали, так как чем чище сталь, тем она однороднее и тем равномернее ее прокаливаемость. Широко применяемая основная мартеновская сталь по качеству находится на последнем месте в ряде других сталей того же химического состава. Первое место занимает вакуумиро-156
Таблица 72
Зависимость деформации от зернистости и прокаливаемости стали
санная сталь, за ней следует сталь, полученная с применением электрошлакового переплава, и сталь, рафинированная синтетическим шлаком.
Основная мартеновская сталь содержит большое количество •серы (0,035—0,045%), газовых включений и загрязнена неметаллическими включениями. Это вызывает неоднородность свойств, нестабильность ее поведения в условиях различных технологических процессов.
Деформация зависит также от содержания в стали элементов, влияющих на прокаливаемость, так как с повышением прокаливаемости растут внутренние напряжения. Например, сталь марок 25ХГТ и 25ХГМТ при одной и той же зернистости, но при разной прокаливаемости проявляет себя в шестернях в отношении деформации различно. Так, зубья и шлицевое отверстие шестерни из стали 25ХГТ деформируются незначительно, если штамповка, ступенчатый отжиг и механическая обработка были произведены в соответствии с техническими требованиями, а зубья и шлицевое отверстие шестерни из стали 25ХГМТ деформируются выше установленных допусков.
Различная прокаливаемость плавок стали одной и той же марки также сказывается на отбраковке шестерен по деформации.
В табл. 72 приведены ре
зультаты длительных наблюдений за качеством шестерен одного наименования, изготовленных из стали 25ХГМТ различных плавок; отличавшихся различной зернистостью и прокаливаемостью. Данные таблицы показывают, что с ростом зерен прокаливаемость стали повышается, а также увеличивается брак шестерен.
При зернистости 7—8-го балла, т. е. в соответствии с техническими условиями, шестерни, изготовленные из данной плавки, имевшие в сердцевине сорбитовую структуру при твердости HRC 35, все оказались годными по степени деформации. Из данной плавки было изготовлено несколько сотен шестерен.
Деформация шестерен после химико-термической обработки зависит также от структуры упрочненного слоя и сердцевины. Отсутствие остаточного аустенита в диффузионном слое дает наилучшие результаты.
157
Шестерни из стали, содержащей никель и склонной к образованию остаточного аустенита в упрочненном слое, необходимо подвергать двойной закалке для максимального снижения остаточного аустенита, что приводит к повышению деформации по сравнению с шестернями из стали 25ХГТ и 25ХГМТ. Поскольку поверхностные слои обладают более высоким содержанием углерода, сжимающие напряжения на поверхности зубьев значительно превосходят растягивающие напряжения в сердцевине. Регулируя степень насыщения стали с поверхности углеродом и применяя среднеуглеродистые стали, можно значительно уменьшить разницу между сжимающими напряжениями в поверхностных слоях и растягивающими в сердцевине и уменьшить деформацию шестерен. Обеспечить стабильность такого состояния можно при автоматическом регулировайии насыщения углеродом и селекти-ровании стали по углероду и другим элементам, особенно влияющим на прокаливаемость, к числу которых относится, например, молибден.
На степень деформации влияет обработка режущим инструментом, а также равномерность наклепа металла при изготовлении заготовок шестерен штамповкой. Этим объясняется, например, неодинаковая степень деформации зубьев на одной шестерне.
Безусловно, неравномерность нагрева и охлаждения также влияет на деформацию. Например, если шестерни в печи имеют односторонний форсированный подогрев на поддоне, то это отразится на деформации шестерен. Поэтому нагрев шестерен в соляных ваннах обеспечивает минимальную степень деформации, что целесообразно применять в серийном производстве.
Индукционный нагрев способствует уменьшению деформации шестерен.
Шестерни, изготовленные из стали 25ХГТ (отвечавшие по структуре и твердости штамповок требованиям технических условий), после механической обработки и шевингования зубьев были нагреты в соляной ванне до температуры 870° С, выдержаны при ней в течение 30 мин. Охлаждение осуществлялось медленно в ванне при температуре 400° С, а затем с печью до комнатной температуры. После охлаждения структура стали состояла из перлита и феррита. Измерения биения зубьев шестерен в зоне начальной окружности показали, что биение достигло установленных норм для термически обработанных шестерен, карбонитрированных и закаленных в горячем масле. Ниже приведены данные о влиянии нагрева на деформацию зубьев шестерен.
Несмотря на условия, обеспечивающие равномерность нагрева и охлаждения, деформация зубьев оказалась неодинаковой на одной и той же шестерне, что подтверждает влияние наклепа при резании на деформацию. Следует поэтому указать на необходимость контроля состояния инструмента в процессе его экс-158
плуатации для предотвращения получения плохого качества продукции по этой причине.
Изложенное показывает, что в массовом производстве можно, улучшить качество шестерен, если регламентировать: размер.
Влияние нагрева на деформацию зубьев шестерен в м м
Деформация зубьев по делительной окружности	
до термической обработки	после нагрева в соляной ванне и медленного охлаждения
0,01—0,03 0,02—0,04 0,01—0,05	оо оо оо ООО 777 тГ тг СЧ О 0^0 о~ о" о’
заготовок под штамповку, структуру их .после термической обработки и качество механической обработки. Это приведет к стабильности параметров и к правильному размещению пятна контакта. В результате повысится долговечность работы шестерен, работающих в весьма напряженном состоянии.
В табл. 73 приведены нагрузки на поверхность зубьев при работе шестерен коробок передач грузового и легкового автомобиля.
В случае смещения пятна контакта значительно возра-
Таблица 7$
Удельные нагрузки на зубья шестерен коробок передач грузового и легкового автомобиля
Наименование шестерен	Удельное давление на поверхность зуба в m'cMi	
	* О Л "их С» гаю	Грузовой автомобиль
Постоянного зацепления 	 Первой передачи Второй » Третьей >	12 19 11 8	30 38 21 18
стают удельные давления на боковой поверхности зуба по сравнению с приведенными в табл. 73, что приводит к преждевременному износу и поломке зуба от усталости. При поломках зубьев шестерен необходимо тщательно выявлять все обстоятельства, приведшие к поломке, для установления истинной причины и принятия соответствующих мер к их устранению.
Иногда пятно контакта имеет требуемый вид и правильное размещение на поверхности зуба, но общая деформация шестерни столь велика, что получается недопустимое отклонение качественных параметров от установленных норм. К числу таковых относятся: биение профиля шестерни по делительной окружности, изменение межцентрового расстояния и биение по торцу зуба.
159а
Современная практика изготовления высококачественных шестерен требует, чтобы по этим показателям термически обработанные шестерни имели отклонения от установленных норм не -более сотых и тысячных долей миллиметра. Обеспечение норм достигается выполнением комплекса требований, относящихся к стали и к технологии холодной и горячей обработки деталей.
Прежде всего сталь должна обладать определенной прокали-ваемосгью и должна быть мелкозернистой (не ниже 7—8-го балла стандартной шкалы). В зависимости от прокаливаемости стали устанавливают глубину диффузионного слоя. Мартенсит в поверхностном слое не однороден по содержанию в нем углерода и легирующих элементов, а поэтому получается анизотропность напряжений, вызывающих в сумме деформацию в диффузионном слое.
При изучении причин, вызывающих деформацию, следует иметь в виду напряжения первого и второго рода. Напряжения первого рода зависят от выполнения технологии штамповки, механической и термической обработки. Напряжения второго рода зависят от изменений, происходящих в объеме зерна аустенита при нагреве и охлаждении.
Современные научные знания в области металловедения позволяют влиять на стабильность напряжений. Например, можно изменять количество дислокаций на границах зерен, уменьшая размер зерен стали подбором соответствующего состава стали и использованием индукционного нагрева. Применив индукционный нагрев и сталь регулируемой прокаливаемости, можно получить благоприятную структуру в переходном слое зуба шестерни и перераспределить термические напряжения.
Регулируя состав стали, следует обратить особое внимание на ее прокаливаемость и закаливаемость. При уменьшении глубины упрочненного слоя можно получить сжимающие напряжения близ поверхности зуба. Сорбитная структура сердцевины с твердостью HRC 35—45 обеспечивает необходимую прочность зуба и минимальные термические напряжения в сердцевине зуба.
В результате закалки и образования мартенситной структуры особенно, если мартенсит легирован азотом, в упрочненном слое возникают большие сжимающие напряжения, повышается уста^ лостная прочность стали. Подвергая сталь отпуску, снижают напряжения как в слое, так и в сердцевине.
Если детали не подвергаются ударным нагрузкам, их не Следует отпускать, сохранив тем самым сжимающие напряжения в поверхностных слоях. Для снижения закалочных напряжений рекомендуется после карбонитрирования проводить ступенчатую закалку. В этом случае получается минимальная степень деформации. Очень эффективно снижение деформаций достигается 160
изотермической закалкой. В этом случае можно применить правку нагретой детали.
Стали (преимущественно содержащие никель), склонные к образованию остаточноЬо аустенита в закаленном слое, не должны подвергаться ступенчатой закалке. Шестерни из этих сталей должны подвергаться после термической обработки вторичному нагреву для уменьшения содержания остаточного аустенита или обрабатываться холодом.
Все эти обстоятельства, основанные на научном анализе явлений, необходимо учитывать при разработке технологического процесса термической обработки шестерен.
Рассматривая причины деформации зубьев шестерен, необходимо проанализировать явления, происходящие при нагреве и охлаждении в слое и сердцевине зубьев. Слой и сердцевина зуба имеют различные содержания углерода и азота, влияющие на структурные превращения при термической обработке. В поверхностных и переходных слоях происходят сложные превращения, связанные с возникновением напряжений, переходящих из сжимающих близ поверхности в растягивающие в переходном слое ближе к сердцевине.
Насколько чувствительна сталь в слое и сердцевине к изменениям напряжений под влиянием отпуска, можно судить по данным табл. 74, полученным после цементации, закалки и отпуска.
Таблица 74
Влияние отпуска на снижение напряжений
Отпуск		Максимальные напряжения в кГ1мм*		Твердость HRC	
Температура в °C	Продолжительность в мин	Сжимающие в слое	Растягивающие в сердцевине	поверхности	сердцевины
				80	40	62—64	36—38
150	90	55	30	59—60	35—34
150	120	55	30	56—58	35—34
350	90	13	—	45—47	20—25
В связи с существенной разницей в содержании углерода в диффузионном слое и сердцевине сжимающие напряжения на поверхности значительно превосходят растягивающие в сердце-вине. Очевидно, регулируя степень насыщения углеродом поверхности зубьев и, как указывалось выше, содержание углерода в стали, можно достигнуть оптимальных условий, при которых разница между сжимающими и растягивающими напряжениями значительно сократится, благодаря чему уменьшится и деформация. В производственных условиях при отсутствии регулирования 11 Заказ 849	161
степени насыщения углеродом и при неравномерном нагреве шестерен не получается стабильности в деформации, хотя операции механической обработки зубьев могут быть выполнены весьма тщательно. Примером, подтверждающим это положение, может служить закалка шестерен из стали пониженной прокаливаемости марки 55ПП. При отрегулированном режиме нагрева и охлаждения шестерен из этой стали, тщательно механически обработанных, напряжения получаются стабильные, так как состав стали однороден близ поверхности и сердцевины.
Изложенное относится и к другим деталям машин. Для повышения долговечности работы деталей, упрочняемых химико-термическими методами, необходимо:
а)	применять стали, селектированные по содержанию углерода и легирующих элементов, повышающих прокаливаемость мелкозернистого строения (7—8-й балл), строго определенной прокаливаемости;
б)	стабилизировать размеры заготовок под штамповку;
в)	вести процесс штамповки при нагреве т. в. ч. с регламиро-ванием температуры и времени нагрева при комплексной автоматизации процесса;
г)	применять ступенчатый отжиг штамповок, обеспечивающий получение дифференцированной перлито-ферритной структуры;
д)	уменьшать шероховатость поверхностей деталей;
е)	строго выполнять равномерность нагрева и охлаждения;
ж)	применять процессы карбонитрирования и ступенчатой закалки в горячем масле;
з)	регулировать насыщение углеродом при помощи углеродного потенциала.
Следует также рекомендовать процесс газовой цементации при нагреве т. в. ч. для обработки шестерен. Этот процесс дает возможность улучшить качество продукции и повысить производительность при условии применения стали, не склонной к росту аустенита при высокой температуре.
Процесс карбонитрирования шестерен, отработанный при автоматическом регулировании насыщения углеродом в диапазоне 0,8—0,9 и глубине слоя 0,5—0,7 мм при автоматическом регулировании нагрева в безмуфельных печах производительностью от 150 до 500 кг/ч, обеспечивает стабильность качества шестерен из стали марок 25ХГТ и 25ХГМТ, в результате чего повышается долговечность работы коробок передач автомобилей’ и тракторов при среднем сроке службы шестерен и пробеге около 250 тыс. км.
Стоимость обработки 1 кг изделий при газовой обычной цементации выше, чем при индукционном нагреве, на 60% за счет расхода литых деталей из жароупорных сталей для поддонов и жароупорных труб и рельс.
162
Накладные расходы связаны с большими затратами на ремонт печей и большими амортизационными расходами и содержанием большего штата обслуживающего персонала.
Последнее является одним из преимуществ процесса, газовой цементации при индукционном нагреве, изменяющим коренным образом установившиеся положения в технике химикотермической обработки деталей в массовом производстве и создающим условия для организации комплексной технологии. Процесс газовой цементации при индукционном нагреве создает перспективу снижения себестоимости, повышения качества продукции и производительности.
Сравнение стоимости обработки 1 кГ деталей при цементации в проходной печи и в установке т. в. ч. показало значительное удешевление, несмотря на больший расход электроэнергии при процессе цементации т. в. ч.
Снижение себестоимости при цементации с нагревом т. в. ч. происходит главным образом вследствие исключения расходов на детали из жароупорных отливок и снижение в 9—10 раз расхода газа карбюризатора.
Внедрение процесса связано с подбором соответствующих марок стали, не склонных к росту зерен аустенита при высокотемпературном нагреве. Такие стали должны быть получены на основе раскисления алюминием и титаном и введения редкоземельных элементов.
Отечественная и зарубежная практика химико-термической обработки шестерен
Непрерывное совершенствование процессов химико-термической обработки шестерен происходит как в отечественной, так и в зарубежной практике. Это связано с переходом на новые марки стали, новые процессы и с внедрением нового оборудования. Основная тенденция заключается в сокращении времени нагрева и внедрении комплексной технологии, позволяющей совместить процессы, сократив число операций.
Необходимо отметить изменения в спецификации марок стали, происшедшие за последние годы за рубежом. Например, американские автомобильные фирмы используют для изготовления шестерен марки стали, химический состав которых приведен в табл. 75. Ранее в США для тех же шестерен применялись стали, химический состав которых приводится в табл. 76.
Поставка стали для шестерен в США производится исключительно по зернистости и прокаливаемости, химический состав и механические свойства стандартизированы и укладываются в узкий диапазон. Величина зернистости стали должна быть 7—8-го балла по стандартной шкале SAE. Это вызвано тем, что без соблюдения основных требований к качеству стали нельзя И*	163
Таблица 75
Химический состав марок сталей, применяемых в США для шестерен автомобилей
Марка стали	Химический состав в %					
	С	Мп	Si	Сг	Мо	| Ni
4028	0,25—0,30	0,7—0,9	0,20—0,35	0,20—0,30			—
4520	0,18—0,24	0,45—0,70	0,15—0,25	0,45—0,60	—-	—.
8620	0,18—0,23	0,70—0,90	0,20—0,35	0,15—0,25	0,40—0,60	0,4—0,7
4118	0,18—0,23	0,70—0,90	0,20—0,35	0,08—0,15	0,40—0,60	—
Таблица 76
Химический состав млрок сталей для шестерен автомобиля, применявшихся до 1965 г. в США
Марка стали	Химический состав в %					
	С	Мп	Si	Сг	Ni	Мо
3120	0,15—0,25	0,30—0,60	0,15—0,35	0,45—0,75	1,0—1,5		
3310	0,08—0,13	0,45—0,60	0,15—0,35	1,4—1,75	3.25—3,74	—
4615	0,10—0,20	0,3—0,6	0,15—0,35	0,15—0,35	1,5—2,0	0,2—0,3
6120	0,17—0,22	0,7—0,9	0,15—0,35	0,7—0,9	—	0,1—0,18
9210	0,08—0,13	0,45—0,65	0,15—0,35	1,0—1,4	3,0—3,5	0,08—0,15
обеспечить стабильность деформации даже при безусловном выполнении требований технологии механической и термической обработки.
Рассмотрение табл. 75—76 показывает, что за последние годы в США произошло существенное изменение в области применения стали для автомобильных шестерен. Только одна марка стали 8620 содержит никель и то в весьма ограниченном количестве и не все марки содержат хром в качестве легирующего элемента. Наибольшее распространение приобрела сталь 4028 марганцовомолибденовой группы. Содержание углерода в стали 4028 повышено до 0,30%, что обеспечивает прочность сердцевины зубьев шестерен; наличие молибдена обеспечивает прокаливаемость зубьев шестерен по сечению.
Для изготовления шестерен коробки передач и заднего моста автомобилей «Флорида» и «Дофин» на заводах «Рено» применяют сталь, содержащую 0,36% С, 0,65% Мп, 0,30% Si, 1% Сг, 0,35% Ni и 0,30% Мо, а также сталь 25СД4, содержащая С — 0,22—0,30%; Si 0,4%, Мп —0,6—0,9%, Сг —0,8—1,2%, Мо — 0,15—0,30%.
Стали, применяемые в ФРГ, приводятся в табл. 77. В немецких марках превалируют стали без никеля.
164
Таблица 77
Химический состав марок стали, применяемых в <РРГ для изготовления цементуемых шестерен
Марка стали	Химический состав в %					
	С	Si	Мп	Сг	Мо	* Ni
25СгМо4	0,22—0,29	0,15—0,35	0,50—0,80	0,90—1,20	0,15—0,25	
15СгЗ	0,12—0,18	0,15—0,35	0,40—0,60	0,50—0,80	—	—
16МпСг5	0,14—0,19	0,15—0,35	1,00—1,30	0,80—1,10	—	—
20МпСг5	0,17—0,22	0,15—0,35	1,10—1,40	1,00—1,30	—	—
18CrNi8	0,15—0,20	0,15—0,35	0,40—0,60	1,80—2,10	—	1,8—2,1
13СгМо44	0,10—0,18	0,15—0,35	0,40—0,70	0,70—1,00	0,40—0,55	—
В отечественной промышленности наибольшее применение для изготовления шестерен модуля не более 6 мм получили стали марок 25ХГТ и 25ХГМТ. Эти стали применяют на автомобильных, тракторных и других заводах; особенностью их является повышенное содержание углерода. Стали марок 25ХГТ и 25ХГМТ (табл. 78) обладают в термически обработанном состоянии высоким пределом прочности сердцевины в сечении зубьев шестерен и в этом отношении превосходят высоколегированную сталь 12Х2Н4А (3312SAE).
Таблица 78
Минимальный предел прочности ложноцементованных стандартных образцов из прутков разного сечения (ложная цементация при 910° С в течение 9 ч, закалка при 810° С в масле, отпуск при 200° С в течение 1 ч)
Таблица 79
Предел текучести при статическом изгибе цементованных стандартных образцов, изгртовленных из прутков различного сечения
Марка стали	ад в кПмм* образцов из прутков диаметром в мм			
	10	15	20	25
25ХГМТ	160	150	140	135
25ХГТ	145	125	110	100
12Х2Н4А	ПО	100	90	85
Марка стали	as в к Г 1мм* образцов из прутков диаметром в мм			
	10	15	20	25
25ХГМТ	285	250	220	210
25ХГТ	280	245	210	200
12Х2Н4А	250	220	205	195
Повышение содержания углерода в стали 25ХГТ и 25ХГМТ обеспечивает большую прочность цементованных деталей по сравнению со сталью 12Х2Н4А (табл. 79). Эти данные указывают также на влияние плотности металла на прочность. Плотность металла в прутке 10-jwjw больше, чем в прутке 2 5-жж.
Для цементуемых марок стали большое значение имеет способность поверхности сопротивляться смятию. Стали с повышен-165
ной прочностью сердцевины обладают также лучшей сопротивляемостью смятию.
При сопоставлении стали хромоникелевой с хромомарганце-вой с молибденом и без молибдена по пределу текучести при изгибе (табл. 79) становятся очевидными соображения, которые послужили основанием для замены марок стали, содержащих никель, на марки, не содержащие никель, помимо большей их технологичности и меньшей стойкости.
Современная отечественная и зарубежная практика предусматривает закалку сложных деталей, в том числе и шестерен в штампах под прессом. Применяемые прессы механизированы и автоматизированы, поэтому качество шестерен в отношении деформации получается высоким, так как изменение размеров происходит в пределах сртых и даже тысячных долей миллиметра. Например, отверстие диаметром около 400 мм в тарельчатых шестернях деформируется в пределах допуска на операцию шевингования, т. е. с припуском на сторону не более 0,025 мм. Достигается это благодаря автоматическому центрированию шестерни в штампе с помощью разжимных кулачков. Операции, связанные с зажатием шестерни между штампами и погружением ее в масло, а затем в строго определенное время подъемом, автоматизированы.
В США широко применяют универсальные автоматизированные и механизированные камерные печи, работающие по заданной программе, т. е. имеющие аппараты, регулирующие температуру процесса во времени и степень науглероживания по углеродному потенциалу в соответствии с диффузией углерода, а также регулирующие все транспортные процессы при загрузке, выгрузке и перемещении деталей. Такие печи имеют индивидуальную эндотермическую установку.
Закалочные баки также имеют автоматическое управление как температурой среды, так и скоростью подачи жидкости с обязательным магнитным фильтром для удаления из масла окалины. Применяемое оборудование и приборы обеспечивают постоянство качества продукции, что исключает необходимость пооперационного или штучного контроля, а следовательно, и необходимость иметь аппарат ОТК и экспрессные лаборатории. Пунктуальность выполнения контрольных операций аппаратами потребовала изменения конструкции печей для химико-термических процессов.
Новейшие агрегаты для карбонитрирования состоят из двух печей, входящих в один агрегат. В первой печи имеется две камеры: камера нагрева и камера науглероживания. Во второй печи при снижении температуры содержание углерода доводится до заданного. Каждая печь имеет свою систему регулирования углеродного потенциала.
166
Как за рубежом, так и в СССР имеются комплексные агрегаты, в которых совмещены устройства для науглероживания, закалки, промывки и отпуска.
Процесс газовой цементации за рубежом заменяется процессом карбонитрирования с закалкой в горячем масле. В отечественной практике этот процесс применяется на автомобильных и тракторных заводах.
Что касается стали, то можно констатировать совпадение в выборе сталей среднеуглеродистых взамен малоуглеродистых за рубежом и в СССР, а именно, в сталях, применяемых для изготовления деталей, подвергающихся упрочнению химико-термическими методами, содержание углерода повышено до 0,35%. Широко применяют стали, легированные молибденом. Никелевые стали теряют свое превалирующее значение в массовом производстве.
Следует отметить, что уровень технологии химико-термической обработки шестерен в СССР и за рубежом (США, ФРГ, Англии, Франции, Японии) одинаков. Приоритетом СССР является процесс газовой цементации при индукционном нагреве, производящийся в специальных агрегатах.
ГЛАВА IV
ВЛИЯНИЕ термической и химико-термической ОБРАБОТКИ НА ДОЛГОВЕЧНОСТЬ РАБОТЫ ДЕТАЛЕЙ машин
УСТАЛОСТНАЯ ПРОЧНОСТЬ ДЕТАЛЕЙ МАШИН
Большинство поломок деталей происходит от усталости металла. Явление усталости в металлах зависит от многих причин: термической и механической обработки, формы и размера изделия, поверхностного легирования, дефектов поверхности, шлаковых включений, местной деформации и пр.
Более активно эти факторы влияют на предел выносливости деталей, изготовленных из стали с высокой твердостью.
Предел выносливости снижают концентраторы напряжений: галтели, выточки, острые кромки, надрезы. Аналогичное влияние на предел выносливости оказывает и увеличение размера изделия.
Снижению предела выносливости способствует правка деталей, особенно после термической обработки. Например, правленые коленчатые валы, выходят из строя раньше, чем валы,, не подвергавшиеся правке.
Для повышения предела выносливости необходимо иметь в поверхностных слоях сжимающие напряжения. Это достигается за счет химико-термической обработки, поверхностной закалки или наклепа.
В упрочнении стали существенную роль играют следующие процессы: цементация, карбонитрирование, нитроцементация, азотирование и др. В результате использования этих видов обработки в первую очередь повышается усталостная прочность изделий.
Одновременно для удлинения срока службы деталей применяют процесс упрочнения дробью, создавая дополнительные сжимающие напряжения на поверхности деталей.
Влияние цементации, карбонитрирования и нитроцементации на предел выносливости активнее, чем закалка при нагреве 168
т. в. ч. Образующийся в результате насыщения углеродом и азотом легированный мартенсит в упрочненном слое повышает сжимающие напряжения после закалки.
Необходимо иметь в виду, что при увеличении глубины упрочненного слоя выше определенного предела напряжения сжатия на поверхности уменьшаются и даже могут изменить знак. Использование стали с большим содержанием углерода, т. е. повышение твердости сердцевины, повышает величину сжимающих напряжений.
Для максимального эффекта необходимо для каждого конкретного случая определять оптимальную глубину слоя и твердость сердцевины.
Следует учитывать, что слишком тонкий упрочненный слой недопустим вследствие возможного его продавливания и образования питтинга.
Например, в поверхностных слоях цементованного зуба шестерен из стали 20ХНМ при глубине слоя 1 мм остаточные напряжения сжатия достигают 38 кГ)мм2\ при увеличении глубины слоя до 1,5 мм напряжения снижаются до 32 кГ/мм2 [34].
После низкотемпературного отпуска термически упрочненных деталей напряжения снижаются и могут изменить знак и перейти в растягивающие. Поэтому в отдельных случаях не рекомендуется отпускать детали, подвергнутые закалке после химикотермической обработки.
Недопустим и отпуск деталей после наклепа дробью, поскольку сжимающие напряжения, достигающие на поверхности после наклепа 70—80 кГ/мм2, снижаются после отпуска ниже 30 кГ/мм2.
Обработка деталей холодом не изменяет напряжений сжатия. Установлено, что максимальной величины предел выносливости достигает у стали с глубиной цементованного слоя 0,2 мм. При глубине 0,5 мм он равен 90% от максимальной, при глубине 0,7 мм — 80%, а при глубине 1 мм — 70%.
При расчете прочности деталей необходимо базироваться на пределе текучести, а при работе деталей машин напряжения не должны превышать предел выносливости.
В диаграмме Веллера имеется область ограниченной выносливости, в которой после определенного числа циклов приложения и снятия напряжений начинается разрушение металла.
Необходимо иметь в виду, что диаграмма Веллера может быть использована лишь для суждения об усталости стали при тщательном изготовлении образцов. В действительных условиях всякие поверхностные дефекты, особенно надрезы, резко снижают усталостную прочность деталей вследствие чего нельзя использовать приближенное суждение об усталостной прочности (равной 50% от предела прочности), как это часто ошибочно практикуется. Исследования показывают (табл. 80), что предел
169
Таблица 80
Усталостная прочность образцов стали карбонитрированных и цементованных
Марка стали	Процесс химико-термической обработки	Глубина слоя в мм	Температура отпуска в °C	Предел усталости в кГм!см*
25ХГМ	Карбонитрирование, ступенчатая закалка 		0,7	200	115
	Цементация газовая и закалка . .	1,0	200	95
	Карбонитрирование, ступенчатая закалка, отпуск, упрочнение дробью То же, но без отпуска	 Карбонитрирование, ступенчатая закалка, без отпуска и без упрочнения дробью 		0,7	150	105
		0,7	—	102
		0,7		86
	То же, с отпуском	 Газовая цементация, закалка, отпуск 		0,7	150	78
		0,7	150	65
	Ложная цементация, закалка, отпуск 		—	150	55
ЗОХГТ	Карбонитрирование, ступенчатая закалка, отпуск 	 Газовая цементация, закалка, отпуск 		0,7	200	103
		0,9	200	82
	Ложная цементация, закалка, отпуск 		—	200	58
	Газовая цементация, закалка, отпуск 		1,2	200	87
12Х2Н4А	Газовая цементация, закалка, отпуск (содержание углерода в слое 0,58%) 		0,9	200	103
	То же (содержание углерода в слое 1,53%)		1,5	200	94
усталости после карбонитрирования выше, чем после цементации, даже при меньшей глубине диффузионного слоя.
С увеличением толщины карбонитрированного слоя предел выносливости понижается, при сохранении одной и той же •прочности сердцевины.
Максимальный предел выносливости 115 кГ1мм2 был получен ’на стали марки ЗОХГТ при глубине слоя 0,7 мм в процессе жарбонитрирования и поверхностной твердости HRC 60. В то же время как на цементованном образце, изготовленном из той же марки стали при глубине слоя 1,0 мм и твердости HRC&2., предел выносливости был равен 95 кГ1мм2 (табл. 81).
В табл. 81 приведены данные усталостной прочности цементованных образцов в зависимости от содержания углерода в стали, содержащей никель и не содержащей его. Данные 170
табл. 81 показывают, что при одинаковой практически глубине слоя у никелевой стали не наблюдается влияния концентрации углерода на предел выносливости, у стали, не содержащей никеля, он повышается с увеличением содержания углерода. При значительном уменьшении глубины слоя (0,5—0,7 мм против
Таблица 81
Влияние содержания углерода в слое на предел выносливости
Химический состав стали	Концентрация углерода в слое в %	Глубина слоя в мм	HRC	в кГ/мм*
0,17% С, 0,48% Мп, 1,33% Сг, 3,29% Ni	1,02 0,58 0,83	1,0 0,9 1,0	58,5 54,5 57,0	105 103 108
0,20% С, 0,95% Мп, 1,08% Сг, 0,28% Мо	1,10 0,93 0,82	1,0 1,0 0,9	57,5 58,5 58,5	99 94 86
Рис. 71. Зависимость между пределами прочности и выносливости
0,8—1,0 мм) предел выносливости карбонитрированной безнике-левой стали повышается.
На рис. 71 приведена диаграмма зависимости между пределом выносливости и пределом прочности образцов с различным качеством поверхности.
Предел выносливости полированного образца повышается с увеличением предела прочности, а наличие надреза на образце или коррозии резко снижает предел выносливости. Особенно чувствительны к различным поверхностным дефектам высокопрочные стали, имеющие предел прочности 200—220 кГ1мм2 и более.
В частности, качество поверхности большое значение имеет для надежности работы пружин,, изготовленных из проволоки с пределом прочности выше 200 кГ/мм2. В целях исключения поломок от усталости проволока для особо ответственных пружин (рояльная проволока) должна после шлифования подвергаться полированию.
Практически считается, что увеличение предела прочности свыше 150 кГ1мм2 не дает существенного повышения предела выносливости. Однако при испытании полированных образцов отмечается определенное повышение предела выносливости.
171
Такой эффект наблюдается на образцах, подвергнутых термомеханической обработке.
Максимальной усталостной прочности можно достичь путем суммирования сжимающих напряжений, существующих в металле и полученных за счет последующей обработки. Например, подвергая упрочнению дробью детали после химико-термической обработки, выгибая рессорный лист и затем обрабатывая его дробью в напряженном состоянии, повышают общий уровень напряжений сжатия. Ниже приведены данные о влиянии плотности металла на усталостную прочность. Плотность металла также имеет большее влияние на выносливость.
Влияние плотности металла на выносливость стали (сталь ШХ15 закаленная и отпущенная) [21]
Средний балл пористссти в штангах 0120 мм от поверхностных слоев до центральных.............
Предел выносливости образцов а—1 в кГ/мм2.........................
0,75 1,12 1,17 1,66 2,33 2,50 3,37 3,58
71,5 70,5 65,0 68,0 62,0 64,0 48,0 26,0
Поэтому, например, изготовление блока шестерен из одной штанги нецелесообразно (рис. 72). Как показали исследования,
все шестерни блока имеют различную глубину слоя и структуру (рис. 73).
При эксплуатации неизбежно ломается одна из шестерен блока ранее, чем другие, что влечет выход из строя всего блока шестерен. Судить о надежности детали поэтому можно только по так называемой конструкционной прочности, т. е. прочности металла в изделии, для чего необходимо производить стендовые 172
Рис. 73. Микроструктура цементованного слоя зубьев шестерен блока
w
испытания деталей. Однако испытание конструкционной прочности, например, шестерен на усталость в течение определенного времени, как это часто производится, не дает истинной характеристики долговечности, если не учтены эксплуатационные условия работы детали. Вследствие перекоса осей валов коробки передач наблюдается сдвиг и уменьшение площади контакта боковой поверхности зубьев. Как следствие, увеличивается напряжение в зоне контакта, что ведет к образованию питтинга (рис. 74).
На рис. 75 изображена поломка торца зубьев шестерни вследствие неправильной сборки, вызвавшей зависание зубьев (рис. 76). В момент переключения передачи при невышедшей из зацепления пары зубьев смежный зуб оказывается включенным и все усилия передаются на торцовую часть зуба. Возросшие нагрузки деформируют часть зуба близ торца, что приводит к выкрашиванию первоначально цементованного слоя, а затем выламыванию больших кусков металла из зуба. Куски металла попадают в масло коробки, а затем на поверхность зубьев. В результате этого происходит катастрофическая поломка зубьев (рис. 77), истинную причину которой не всегда удается установить, поскольку первоначальный момент поломки установить невозможно. Наблюдать первоначальный сдвиг металла в торцевой части зуба можно только на первых километрах движения автомобиля.
Этот пример указывает на необходимость в начальный момент пуска в эксплуатацию машин тщательно обследовать состояние деталей, не ожидая окончания официальных испытаний. При этом необходимо точно соблюдать регламент испытания, учитывая условия, на которые рассчитана машина в эксплуатации.
Всякая перегрузка и форсирование режимов испытания приводят к неправильным выводам.
При обсуждении вопроса долговечности работы деталей часто смешивают долговечность с надежностью, так как интересуются не абсолютной надежностью, а надежностью работы деталей или машины в соответствии с назначением ее работы на протяжении заданного времени и в специально оговоренных условиях. Это уже долговечность и зависит она от сопротивляемости поверхности деталей износу, от перекоса концентрации напряжений, т. е. факторов, сходных с теми, что устанавливаются в случаях поломки от усталости.
При суждении о надежности работы деталей обращаются к анализу показателей усталостной прочности стали и, сравнивая их, отдают предпочтение металлу более технологичному при равной усталостной прочности. Показатели получаются на образцах весьма небольшого размера, часто не в одно время обработанных и имеющих различное качество поверхности. Детали 174
Рис. 74. Питтинг на поверхности зуба
Рис. 75. Поломка торца зуба
Рис. 76. Зависание зубьев — начальный момент поломки торца
175
обычно имеют большое сечение. В результате этого несоответствия в эксплуатации могут возникнуть поломки и преждевременный выход детали из работы.
Стендовые испытания, проводимые в условиях, не соответствующих эксплуатационным, также приводят к неправильным выводам. Примером может служить методика испытания шестерен коробки скоростей автомобиля. Требуемая длительность испытания в часах для разных передач при изгибно-усталостных испытаниях шестерен (момент двигателя 41 кГм) на передачах: V — 1500, IV — 800, III — 400, II — 225, I — 100.
Принято, согласно указанной методике испытания шестерен коробки передач грузового трехтонного автомобиля, судить о
Рис. 77. Катастрофическая поломка зубьев надежности работы шестерен по числу часов работы до поломки. Если зубья шестерен в течение указанных часов не поломаются, считается, что шестерни будут надежно работать в эксплуатации. Однако не длительность работы шестерен при одной и той же нагрузке определяет долговечность и надежность работы их, а ряд других факторов.
Усилия, испытываемые металлом шестерен при работе, различны, вследствие чего в металле создаются различные напряжения, что приводит к изменению субструктуры главным образом в поверхностных слоях металла. Например, в металле цементованного слоя зуба шестерни постоянного зацепления образуются напряжения второго рода вследствие превращения остаточного аустенита в мартенсит под высоким давлением, а в металле поверхностного слоя зуба шестерни переменного включения к тому же образуются напряжения первого рода (от удара в мо-176
мент включения). Поэтому при стендовых испытаниях длительной прочности выносливость металла проявляется косвенно.
О качестве упрочнения зубьев шестерен судят по твердости поверхностного слоя и сердцевины зуба, структуре их, глубине слоя, также статической и реже усталостной прочности металла в образцах и считают, что качество металла в образце равноценно качеству его в изделиях.
Однако так называемые служебные свойства металла в изделиях совершенно иные. Например, шестерни коробки передач автомобиля, изготовленные из одной и той же стали и одинаково обработанные, обладают различной долговечностью в работе при движении автомобиля, поскольку условия их работы различны и они подвергаются различным удельным нагрузкам.
Ниже приведены нагрузки на зубья шестерен коробки передач трехтонного автомобиля, испытываемые в эксплуатации. Окружные усилия на делительных окружностях шестерни коробки передач (крутящий момент двигателя 41 кГм) на передачах: V—1060; IV— 1200; III— 1460; II— 1080; 1 — 3200; задний ход — 3040 в кГ/см2.
Таким образом, шестерни V передачи, работающие при установившемся режиме, в 3 раза менее нагружены, чем шестерни I передачи и заднего хода, работающие в тяжелых условиях, когда колеса преодолевают сцепление с грунтом. В связи с этим режим испытания каждой шестерни на усталостную прочность должен быть различный в зависимости от нагрузки, а не от времени работы, как это обычно принято в лабораториях экспериментальных цехов. При стендовых испытаниях необходимо весьма точно воспроизводить цикл испытаний при условии, что и испытуемые детали изготовлены из одной плавки металла и одинаково обработаны на всех стадиях изготовления, так как долговечность работы трущихся деталей зависит от шероховатости поверхности, качества смазки и т. д.
В эксплуатации известны случаи, когда консистенция смазки резко повышает или понижает износ трущихся деталей и даже может вызвать их поломку вследствие того, что меняется пятно контакта.
При стендовых испытаниях можно проверить конструкцию детали или узлов, поскольку систематическая поломка детали в одном и том же месте будет указывать на недостаток конструкции.
Стендовые испытания необходимо приспосабливать к условиям, в которых деталь будет работать в эксплуатации. Нельзя форсировать испытания, сокращая время испытания за счет режима испытания. Например, нельзя проводить испытание износостойкости чугунных поршней при повышенной температуре, не соответствующей эксплуатационной, поскольку циклическая вязкость чугуна будет иная. Также нельзя вести испытания при 12 Заказ 849	177
нагрузках, превышающих действительные, или в условиях, изменяющих характер трения (трение со смазкой, сухое трение). При стендовых испытаниях без воздействия специфической среды, влияющей на прочность изделий в эксплуатации, будут получены результаты, не соответствующие эксплуатационным.
Поэтому при стендовых испытаниях в условиях, имитирующих эксплуатационные, трудно выявить воздействие, например, циклической вязкости и интеркристаллитной коррозии. Только в результате стендовых испытаний, соответствующих условиям эксплуатации, выявляется конструкционная прочность деталей.
КОНТАКТНАЯ ПРОЧНОСТЬ
При работе соприкасающихся деталей поверхности находятся под действием контактных нагрузок, приводящих к разрушению поверхностных слоев металла.
Поэтому способность стали противостоять контактному разрушению в процессе эксплуатации является важной характеристикой служебных свойств материала. Контактная прочность стали или чугуна может быть повышена химико-термической обработкой и поверхностной закалкой при индукционном нагреве [3].
Различают в зависимости от характера испытания контактное смятие от удара и питтинг от концентрированной нагрузки. Как в том, так и в другом случае сопротивление разрушению зависит от твердости и глубины упрочненного слоя. Как правило, при увеличении глубины слоя или повышении его твердости величина контактной прочности повышается. В случае цементации на контактную прочность оказывает влияние количество и характер распределения остаточного аустенита в слое.
При равномерном распределении аустенита в поверхностном слое с содержанием его до 25% не наблюдается образования питтинга, если поверхность не испытывает знакопеременных нагрузок. Большое содержание аустенита в близких к поверхности слоях при низкой прочности переходного слоя и при повышении удельного давления приводит к снижению прочности слоя, так как поверхность продавливается. Если поверхность подвержена знакопеременным нагрузкам, то в слое не должно быть остаточного аустенита. После обработки холодом твердость поверхности повышается, однако сопротивление контактной усталости- не повышается. Например, сталь, имевшая большое количество остаточного аустенита и низкую вследствие этого твердость (HRC 54—56), после обработки холодом имела твердость в пределах HRC 60—62, но сопротивление контактной усталости ее резко снизилось. Это объясняется тем, что в начальный момент приработки поверхностей при низкой твердости легче сглаживаются бугорки неровностей, возникших при обработке металла 178
резцом, и поэтому не наблюдается микротрещин на поверхности деталей в процессе работы, приводящих к усталостному излому.
При наличии в структуре после обработки холодом неотпу-щенного хрупкого мартенсита, имеющего твердость выше HRC 60, происходит разрушение бугорков с образованием микротрещин. Уменьшить опасность образования микротрещин можно снижением шероховатости поверхности и низкотемпературным отпуском после обработки холодом.
 Исследования показали, что при обработке дробью контактная прочность незначительно понижается. На контактную прочность, как и на усталостную, оказывает влияние расположение волокон в детали по отношению к направлению действующих напряжений. Статическая прочность образцов с продольным и
я)	6)	в)
Рис. 78. Различное размещение волокон в стали поперечным размещением волокон одинакова, но пластические свойства: удлинение, сжатие, а также вязкость у образцов с поперечным расположением волокон составляют часто меньше 50% от соответствующих значений для образцов с продольным расположением волокон. Необходимо иметь в виду, что волокна могут располагаться в трех направлениях по отношению к направлению приложения сил: вдоль — а, поперек—б и в торец— в (рис. 78). В соответствии с этим изменяется предел прочности при изгибе. Исследованиями шарикоподшипниковой стали марки ШХ15 установлено следующее отношение предела прочности при изгибе в трех указанных случаях: 1; 0,8; 0,6. Значительное снижение прочности при изгибе при торцовом расположении волокон в образцах объясняется большим количеством дефектов, выходящих на поверхность.
Испытания показали, что контактная прочность образцов из штанги с поперечной ориентировкой волокон в 3 раза выше контактной прочности при торцовой ориентировке. Поэтому для повышения контактной прочности следует обращать внимание при проектировании процесса штамповки на размещение воло-12*	179
кон в изделиях. Например, изготовление колец подшипников из трубы обеспечивает более высокую контактную прочность, чем из поковок. Установлено что кольца, изготовленные из труб, выдерживают до 700 млн. циклов при контактном испытании, а из поковок — до 140 млн. Ниже приводятся некоторые данные из практики.
1.	Контактная прочность поверхности стали марки 45, подвергнутой закалке при нагреве т. в. ч., имеет величину, близкую к величине контактной прочности цементованной стали ЗОХГТ; глубина слоя у образца из стали ЗОХГТ 0,5—0,7 мм, а из стали 45—3 мм.
2.	Твердость сердцевины стали 45 и 45Х при глубине закалки на 3—3,5 мм не оказывает влияния на величину контактной прочности; предварительно сталь 45Х подвергается улучшению, а сталь 45 — нормализации и улучшению; снижение глубины закалки ниже 3 мм отрицательно сказалось на контактной прочности как стали 45, так и стали 45Х.
3.	Исследования, проведенные Ю. Ф. Оржеховским, цементованного слоя стали марки 12Х2Н4А при постоянной глубине слоя 1,25 мм и содержании углерода в нем 0,8—1,5% показало, что при увеличении содержания углерода в слое до 1,1% происходит повышение контактной усталостной прочности, а при дальнейшем повышении контактная прочность снижается вследствие укрупнения карбидов.
4.	Влияние прочности сердцевины стали на контактную усталость было проверено на стали марок 12Х2Н4А и 40ХНЗА, подвергнутых цементации при одинаковой концентрации углерода (0,8%) в слое и при различной глубине слоя: 1,25 мм у стали 12Х2Н4А и 0,5 мм у стали 40ХНЗА; контактная прочность стали 40ХНЗА оказалась в 3 раза больше.
5.	При испытании стали марок 18ХГТ и ЗОХГТ установлено, что с увеличением глубины слоя у стали 18ХГТ с 0,45 мм до 0,95 мм контактная прочность повышается в 5—6 раз; при. одинаковой глубине слоя (0,5 мм) контактная прочность стали ЗОХГТ выше и только при глубине слоя 1,5 мм сталь 18ХГТ приобретает ту же контактную прочность. Этот факт служит обоснованием замены малоуглеродистых марок стали среднеуглеродистыми для изготовления шестерен, упрочняемых химикотермическими методами.
6.	Необходимо обратить внимание на присутствие в диффузионном слое карбидов, так как установлено, что при крупных включениях карбидов контактная прочность стали понижается вследствие их выкрашивания.
Это положение подтверждается исследованием шарикоподшипниковой стали, которое показало, что повышение контактной прочности определяется в значительной степени дисперсностью карбидов, упрочняющих границы зерен.
180
В закаленной стали ШХ15 повышение температуры отпуска с 200 до 250° С снижает контактную прочность, что объясняется каогуляцией карбидов в матрице металла при выделении углерода из мартенсита.
Максимальному значению контактной прочности соответствует оптимальная глубина как цементованного слоя, так и упрочненного закалкой при индукционном нагреве. Контактная прочность различных сталей может быть идентичной при подборе режимов обработки. Наряду с контактной прочностью имеет влияние на конструкционную прочность стали также вибрационная вязкость.
ВИБРАЦИОННАЯ ВЯЗКОСТЬ СТАЛИ
Циклическая или вибрационная вязкость стали — способность металла поглощать энергию в необратимой форме при воздействии циклично повторяющихся односторонних или знакопеременных напряжений. Циклическая вязкость характеризует способность металла гасить эффект колебаний, возникающих в результате неоднократного приложения усилий. Величина циклической вязкости не зависит от величины предела выносливости. Многие металлы и сплавы имеют при высоком пределе выносливости незначительную величину циклической вязкости. Для деталей машин имеет большое значение тот металл, у которого при одинаковой усталостной прочности имеется большая циклическая вязкость. В связи с этим часто простая углеродистая сталь или чугун конкурируют с легированной сталью (например, при изготовлении валов).
ИЗНОС ДЕТАЛЕЙ
Износ деталей зависит от многочисленных факторов: внутреннего строения материалов, качества и температуры поверхности, вида трения и твердости контактирующих пар, сил молекулярного сцепления, агрессивности среды.
Износ трущихся поверхностей может происходить вследствие коррозии, абразивного воздействия, усталостного воздействия, «схватывания», «задирания» и пр.
Часто при контактировании материалов происходит локальный разогрев. Высокая температура поверхности металла способствует восстановлению окисных пленок, образованию чистого поверхностного слоя. Как следствие, возникает атомно-молекулярное сцепление контактирующих пар — «схватывание» металла.
Явление «схватывания» состоит в следующем: в результате трения двух поверхностей при больших удельных давлениях под
181
действием пластической деформации удаляется адсорбированная пленка с поверхности металла. Удаление пленки происходит тем легче, чем больше отличаются ее механические свойства от свойств нижележащих слоев материала.
После удаления пленки образуется чистая поверхность и возникают металлические связи между двумя соприкасающимися поверхностями.
Если эти связи больше, чем связи внутри кристаллической решетки, то происходит глубинное вырывание металла, т. е. задирание — «схватывание».
Явление «схватывания» может быть причиной последующего прогрессивного износа.
Процессу предразрушения способствуют несовершенства и микропустоты поверхности.
Одно из важнейших условий повышения износостойкости — создание максимальной однородности металла и повышение прочности в результате термической обработки.
Существуют прямые пары, когда деталь с меньшей твердостью, но с большой поверхностью скользит по детали с большой твердостью, но с меньшей поверхностью и обратные пары, когда деталь с меньшей твердостью и меньшей поверхностью скользит по детали с большой твердостью и большой поверхностью. Обратные пары обладают большей надежностью.
В общем случае для уменьшения износа необходимо, чтобы одна из трущихся поверхностей обладала более высокой твердостью и однородностью механических свойств.
Явление схватывания является начальным явлением в процессе изнашивания. Вслед за ним после вырыва частиц металла возможен абразивный, окислительный и другой износ.
Явление усталостного осповидного износа составляет начало процесса схватывания при продавливании поверхностного слоя, упрочненного тем или иным способом. Процесс схватывания происходит в три стадии: 1) образование небольших задиров; 2) механическое повреждение поверхности и 3) приработка шероховатостей и неровностей.
При небольших удельных давлениях удается установить лишь две стадии: механическое повреждение и приработку.
Установлено, что твердость не характеризует однозначно сопротивление задиранию. Не имеется также прямой зависимости между задиранием и физико-механическими свойствами металла.
Самый незначительный износ в пределах нескольких микрон уже вызывает стук деталей при эксплуатации и постепенное разрушение их поверхности. Особенно подвержены износу детали сельскохозяйственных и текстильных машин (лемеха плугов, пальцы гусениц, детали сцепок, веретена текстильных машин и др.). При работе этих деталей возникает абразивный износ. Износ может возникнуть в результате механического воздействия 182
трущихся тел, а может быть вызван также и химическими реакциями.
Часто химические явления маскируют начальный момент износа, возникшего от механических воздействий, вследствие чего принимают неправильное решение о мерах для устранения преждевременного износа.
В процессе трения наблюдаются следующие явления: а) развитие температуры в местах соприкосновения трущихся поверхностей; б) выкрашивание металла и в) окисление поверхности. В результате повышения температуры увеличивается подвижность атомов и при тесном соприкосновении поверхностей возможно их сращивание, а затем вырыв металла.
Часто износ наступает вследствие выщербления карбидов, которые попадают в смазку из разрушенной поверхности и затем с маслом заносятся между трущимися поверхностями и энергично начинают их изнашивать. Такое явление может иметь место, но в подавляющем числе случаев износ при смазке начинается по другой причине. Выщербленная поверхность окисляется под действием смазки и воздуха, что ускоряет в дальнейшем износ и маскирует истинную причину его начала.
Одной из эффективных мер борьбы с износом вследствие вырыва является упрочнение связи поверхностных слоев с подслоем. В этом случае исключается продавливание поверхностных микрослоев металла и не нарушается сплошность материала на самой поверхности. Это наглядно иллюстрируется при работе деталей, упрочненных закалкой при нагреве т. в. ч.
Поэтому экспериментально определенная прочность поверхностных и переходных слоев служит гарантией против износа. Однако даже при высокой прочности подслоя может произойти износ вследствие неровности поверхности, которая получается при механической обработке. Под микроскопом поверхность такой детали имеет макронеровности и шероховатость.
При соприкосновении с аналогичной и даже более гладкой трущейся деталью происходит смятие бугорков, их отрыв и дальнейшее разрушение металла. В дальнейшем процессе износ интенсифицируется под действием вырыва и абразивного трения частицами, взвешенными в смазочной среде.
При больших удельных давлениях сначала в микрообъемах, а затем и макрообъемах повышается температура и металл расплавляется (например, оплавление кромок зубьев шестерен, зацепляющихся по эвольвенте). Для исключения этого явления применяют приработку трущихся поверхностей, шевенгование и хонингование, т. е. доводку поверхности до максимального класса чистоты. Оплавление вызывается интенсивной деформацией металла. В результате смятия и сдвига происходит искажение кристаллической решетки и при ускоряющемся движении атомов вследствие изменения уровня энергии температура повы-
183
, п глубь металла, шается. Тепло распространяется с поверхности 1ЧИЧеское СТрОе-воздействуя на следующие слои, изменяя криста> ‘следОватеЛьно, ние и ослабляя внутренние металлические свя3*,1|1рИЧИн.
износ — явление сложное, зависящее от многИ* £димо' проана-Для принятия мер по снижению износа не° ' азке Наличие лизировать состав частиц, скапливающихся в Сруктуру поверх-карбидов указывает на неудовлетворительную с^и карбонитри-ностного слоя - крупные включения карбидов	наличие
дов, цементитная сетка. В случае отсутствия	™
металла в смазке указывает на плохое состояН11С
g,	о	лботы деталей ме~
отсутствие приработки в начальный момент Раи fTTTTTI
J т-r	г лПЦЧИИ сильного
ханизма. При катастрофическом износе и	недостаточ-
окисления поверхностей причиной износа явЛяеТ
ная прочность переходных слоев.	поверхностных
Осповидныи износ указывает на. наличие ь повышении слоях остаточного аустенита, превратившегося ПР
контактной нагрузки в неотпущенный мартенсит-	0.
Этот элементарный визуальный анализ	г
вождать микроскопическим исследованием.
Необходимо различать сухое трение, котор°е ельного давле-нуть и при смазке, когда вследствие большого У-11® ПВОисходит ния скорости и повышения температуры с>,а3ХНОСТяМИ разрыв масляной пленки между трущимися поввр мическаЯ
Мерами для предотвращения износа являиУГС^вуЮщего мас-и химико-термическая обработка, подбор соотвеТСПпИпаботки и ла, изменение конструкции деталей, применен!16 суперфинишных операции: шевенгования и хонНн‘ „„„
J	v	.^галлов и окисла-
тие поверхностей приработочными пленками ботка паоом) ми (меднение, воронение, сульфидирование, обр^° Деталед ма1
Для повышения износостойкости повеРхн°стеиоование аз0-шин используют различные процессы: карбонптРиР“е’ тирование, нитроцементацию, цементацию, бориР нагоеве фидирование, закалку с нагревом т. в. ч., закалхолодом Рна. в кислородно-ацетиленовом пламени, обработкуктоолитич’еское плавку различными твердыми сплавами, э,пе смазки со спе. хромирование, кадмирование, а также различна6
циальными добавками.	давлений
Большое значение придается снижению	мак-
за счет введения суперфинишных операции, иск деталей симальный износ в начальный период приработ^11
r r г ,,гкорение износа,.
Одной из основных причин, влияющих на Рческой обра. является деформация деталей в результате тер1'1 ботки, поскольку в деформированных деталях ные высокие напряжения.
г	-пчество остаточ-
От химического состава стали зависит коЛ11 что является ного аустенита после термической обработка одной из причин износа вследствие питтинга.
184
Некоторые стали при цементации склонны к п р' ДИффуЗИОННОГО СЛОЯ уГЛерОДОМ, К обраЗОВаНИЮ	пДпя-
чений карбидов и цементной сетки, разрушающихся р р станин удельного давления на поверхность детали.
По некоторым исследованиям аустенит, полу	Р
медленном охлаждении после цементаиии и ПРИ н р д ной закалке, реагирует на износ различи0- Аустенит, я°дуяеня“я при быстром охлаждении, сопротивляется износу * У	,_
полученный при медленном охлаждении; аустенит ле Р . стали менее подвержен износу, чем аустенит У Р Д стали.
Ошибочно принято судить об износостойкости по твердое™ поверхности. Считают, что так называемая стекловид	р
дость, присущая цианированному закаленному слоД)’ являе наилучшей. Стекловидная твердость характеризуе*	-
твердости по Роквеллу выше HRCtf>- ^Ри такоИ„г1,В^рдО „ успешно будет работать изделие, если удельная н РУ поверхность ничтожна и перед термической обработ о Д подвергалась шлифованию. Если же удельные нагруг ив , то износ неизбежен даже при высокой твердости, т	Р
изойдет выщербление нитридов. Тонкий слои не эла -может сопротивляться продавливанию, если подслои н п™и_ упрочнен термической обработкой. Если же подслои уд Р ным, как это имеет место, например, в закаленном и с ру из быстрорежущей стали, то износостойкость поверх и Р& стекловидной твердости будет максимальной, если	у
поверхность будет иметь минимальную шероховатость.
От содержания углерода в стали зависит твердо м р сита, а также напряжения и деформации* возникающие ЯР образовании. Напряжения эти велики. Это объясняе с др . нием блоков мозаики, изменениями в субструктуре и в то структуре вследствие напряжений, возникающих в р объемах. Все это указывает на косвенное влияние су структур , на износ из-за микродеформации, переХ0ДЯЩеи в макР°Д Ф Р
В практике наблюдаются случаи, к°гДа наряду с аустенитом в поверхностном слое имеется троостнтная структура и получается катастрофический вследствие плохой сопротивляем сти износу троостита. Главной причиной этого является уме шение содержания углерода, что наблюдается при ольшо количестве карбидообразующих элементов.
Характер износа обычно комбинированный. Он мо ет в никнуть вследствие смятия, питтинга, абразивного истира при контактировании, царапании и заедании. Для уменьшени сминающего действия необходимо повЫ1Пать твердость изме химический состав стали и применяя термическую о ра от у, можно также снижать контактные напряжения различнь
185
конструкционными методами. Такие же меры применяют и для ликвидации питтинга.
Чем выше твердость, тем меньше контактное разрушение и питтинга, если подслой и сердцевина достаточно прочны.
Для уменьшения износа вследствие заедания и царапания необходимо повышать сопротивление пластической деформации, т. е. повышать твердость. Полезны в этом случае поверхностные противозадирные покрытия.
При абразивном изнашивании целесообразно применять различную термическую обработку для трущихся деталей, например улучшение для одной детали и индукционную закалку для другой. Установлено, что присутствие аустенита остаточного с карбидными включениями вызывает максимальную износостойкость в абразивной среде.
Для предотвращения коррозионного износа следует подбирать специальную сталь.
Из числа многих деталей, подверженных износу, необходимо выделить шестерни. Зубья шестерен в значительной степени подвержены износу в силу причин конструкционного характера и условий эксплуатации.
Прежде всего форма зуба играет важную роль в процессе износа. Например, гипоидное зацепление спиральной формы зуба сопряжено в работе с контактированием поверхности в одной точке, что естественно приводит к большим удельным давлениям, сосредоточивающимся первоначально в точке, а затем на микроплощадке.
В результате поверхность подвергается в работе нагреву неравномерно, а следовательно, и неравномерно будет меняться структура и твердость поверхности. Так, при гипоидном зацеплении на вершине зуба температура может повыситься до температуры плавления.
Для изготовления шестерен рекомендуются среднеуглеродистые стали с содержанием углерода до 0,40%. Не следует стремиться получить максимально высокую твердость на поверхности зубьев шестерен. Твердость должна соответствовать однородной дисперсной структуре, состоящей из «бесструктурного» мартенсита. Нижний предел должен быть равен HRC 58, а верхний— в зависимости от условий работы шестерни. Твердость шестерен постоянного зацепления может не ограничиваться верхним пределом, а твердость шестерен переменного включения должна быть не выше HRC 60. Это будет способствовать увеличению сопротивления сколу при условии, что в структуре не будет остаточного аустенита и цементитной сетки или крупных карбидов.
Однако даже при соблюдении всех указанных норм и соответствия стали и диффузионного слоя техническим условиям может произойти катастрофический износ вследствие загрязне-186
ния стали шлаком, сернистыми соединениями и газами, а также при специфическом расположении волокон с выходом их перпендикулярно к боковой поверхности зуба. При торцовом выходе волокон в микроточках происходит усталостное разрушение, приводящее к питтингу.
Кроме того, как показывают исследования, тонкая структура металла имеет не маловажную роль в износе деталей. Если разбирать вопрос о допустимости остаточного аустенита в цементованном слое, то следует иметь в виду, что легированный аустенит, имеющий своеобразную блочную субструктуру, и аустенит углеродистой стали будут влиять на износ по-разному. Большое влияние на износ зубьев шестерен имеет размещение пятна контакта. При смещении пятна контакта изменяются удельные нагрузки на поверхность зубьев, что при недостаточной прочности поверхностного слоя и переходных слоев вызывает разрушение зубьев.
Следует уменьшать износ, начиная с замены стали обычного качества сталью высококачественной, облагороженной рафинированием, а в особо ответственных случаях вакуумированием в сочетании с электрошлаковым переплавом.
При выборе технологического процесса упрочнения химикотермическими методами должно быть отдано предпочтение карбонитрированию, влияющему на субструктуру стали в слое больше, чем цементация. Вследствие этого выносливость карбо-нитрированного слоя значительно выше, чем цементованного слоя.
КАЧЕСТВО ХИМИКО-ТЕРМИЧЕСКИ И ТЕРМИЧЕСКИ ОБРАБОТАННЫХ ДЕТАЛЕЙ МАШИН
- Поскольку задача химико-термической и термической обработки заключается в повышении качества деталей, изготовленных из стали или других сплавов, необходимо определить, что принимать за характеристику качества. В результате термической обработки изделия становятся более надежными и долговечными, что определяется главным образом сопротивляемостью усталости и износу. Поэтому вопрос о качестве термически обработанных деталей надлежит рассматривать отдельно для деталей, упрочняемых с поверхности и по всему сечению.
Упрочнение деталей с поверхности, помимо повышения усталостной и контактной прочности, обеспечивает повышение сопротивляемости износу. Упрочнение деталей по всему сечению преследует цель повышения усталостной прочности, сопротивляемости излому и хладноломкости.
Повышение качества упрочняемых с поверхности изделий достигается с помощью процессов химико-термической обработки, а также закалкой при нагреве т. в. ч. или закалкой при 187
нагреве кислородно-ацетиленовым пламенем. Существовавший ранее способ поверхностного упрочнения при нагреве в соляной ванне при высокой температуре используется весьма редко.
Детали, подвергаемые упрочнению цементацией. Качество* деталей, подвергаемых упрочнению цементацией с последующей закалкой, характеризуется структурой упрочненного слоя и сердцевины, при установленной экспериментально глубине слоя. Структура цементованного слоя должна состоять близ поверхности (на глубине 0,2 мм) из мелкоигольчатого мартенсита с возможно минимальным включением дисперсных карбидоа (легированная сталь) или без них (углеродистая сталь). Не допускается цементитная сетка, крупные включения карбидов и остаточный аустенит в диффузионном слое деталей, подверженных ударам. Переход к исходной структуре металла должен быть плавным на отрезке длины, соответствующей заданной по техническим условиям. Такое определение качества цементованного слоя соответствует ведению технологии на современном уровне при автоматической регулировке насыщения стали углеродом и при автоматической регулировке температуры в печи. Всякое отклонение от указанной характеристики качества цементованного слоя приведет к снижению служебных свойств слоя. Так, присутствие в слое даже незначительного количества остаточного аустенита в деталях, работающих при переменных нагрузках, приведет к усталостным разрушениям слоя — питтингу.
Недопустимо присутствие в диффузионном слое цементитной сетки и крупных карбидов, которые могут выходить на поверхность и также выкрашиваться во время работы и попадать в. масло, образуя мельчайший абразив. В поверхностном слое деталей, работающих при постоянном давлении, допускается содержание аустенита до 25%. Структура сердцевины изделия в рабочем сечении не должна содержать феррита, твердость которого НВ 50—90, а твердость мартенсита НВ 650—800 (в зависимости от содержания углерода в стали), а после отпуска НВ 600—750'.. Структура сердцевины должна состоять из сорбита или тро-остосорбита, что в большей степени зависит от содержания углерода в стали, а также легирующих элементов.
Детали, подвергаемые упрочнению карбонитрированием и нитроцементацией. В отличие от цементованного слоя слой; упрочненный помимо углерода азотом, будет характеризоваться присутствием в структуре карбонитридов. Наряду с дисперсными включениями карбонитридов избыточное насыщение стали азотом приводит к образованию е-фазы и так называемой «черной крошки» (выщербленные места, в которых находились крупные карбонитриды), е-фаза отличается хрупкостью и под микроскопом выглядит в виде светлой полоски близ самой поверхности шлифа. Рассмотрение при большом увеличении под микроскопом 183
этой полоски указывает на присутствие в ней дисперсных игл мартенсита, в некоторых случаях, остаточного легированного азотом аустенита. Такая же структура может образоваться при цианировании.
При нитроцементации, т. е. при насыщении углеродом и азотом при высокой температуре и содержании аммиака в газе-карбюризаторе около 15%, исключается образование е-фазы и черной крошки, но в структуре упрочненного слоя может образоваться, вследствие интенсивного науглероживания, цементит-
ная сетка и крупные включения карбидов. Такая структура будет характеризовать низкое качество упрочненного слоя и поэтому недопустима. При автоматической регулировке’ насыщения углеродом эти дефекты могут быть исключены.
При насыщении стали только азотом, т. е. при азотировании, качество упрочненного слоя характеризуется наличием карбони-тридных фаз их дисперсностью и отсутствием е-фазы.
Детали, подвергаемые упрочнению закалкой при нагреве т. в. ч. или газовым пламенем. Качество таких деталей определяется структурой закаленного и отпущенного слоя. Структура должна состоять из дисперсного
Рис. 79. Крупные включения цементита (X 400)
мартенсита или троостомартенси-та в зависимости от требуемой твердости. В структуре не допускается феррит при всех условиях, также и остаточный аустенит в случае обработки высокоуглеродистых или высоколегированных сталей.
Особенно необходимо следить за этим в случае закалки деталей, подвергавшихся предварительно химико-термическому упрочнению. После обработки недопустимо присутствие в слое крупных включений цементита и тем более цементитной сетки. Структура, подобная изображенной на рис. 79, получается в процессе цементации при индукционном нагреве в случае пересыщения поверхности стали углеродом.
Требования к качеству деталей, закаленных при нагреве газовым пламенем, те же, что и к деталям, упрочняемым при нагреве т. в. ч., поскольку закаливается тоже среднеуглеродистая сталь (0,40—0,50% С). При автоматическом регулировании
189
температуры и времени нагрева получаемые структуры мелкозернисты и в основном состоят из мартенсита или троостомар-тенсита с более резким переходом к сердцевине по сравнению с переходом, получаемым при индукционном нагреве.
Детали, подвергаемые термическому упрочнению. Процесс термического упрочнения состоит из закалки и отпуска. Если отпуск высокотемпературный, то процесс носит название улучшения. Качество улучшенных деталей зависит от структуры. Структура улучшенных деталей, изготовленных из различных марок стали, в сердцевине изделия не должна содержать феррита. В зависимости от технических условий она должна состоять из сорбита, смеси сорбита и троостита и даже троостита и мартенсита.
Для особо ответственных деталей сталь после улучшения должна обладать определенными механическими свойствами, главным образом высокой пластичностью и вязкостью. В этом случае для контроля качества вырезают образцы из центральной части детали в нагруженных, наиболее напряженных местах и подвергают испытанию на ударную вязкость и статическую прочность.
Эта методика предусматривается в связи с необходимостью контроля технологического процесса в отношении выполнения длительности отпуска.
ГЛАВА V
ОБОРУДОВАНИЕ ТЕРМИЧЕСКИХ ЦЕХОВ
ПЕЧИ
Основное оборудование термических цехов состоит из конвейерных печных агрегатов и агрегатов с толкающим механизмом. На рис. 80 изображен общий вид современных печных агрегатов.
Существующие печи можно классифицировать по следующей^ системе:
а)	горизонтальные, вертикальные и наклонные;
б)	стационарные, непрерывного и периодического действия; в) с автоматическим и полуавтоматическим действием.
По конструкции печи можно подразделить на: камерные, вращающиеся, конвейерные, ретортные, с толкателем, с цепной передачей, специальные.
По устройству рабочей камеры они могут.быть: муфельные, безмуфельные, радиационные, с открытой камерой, с камерой, подогрева, нагрева и охлаждения. Рабочая камера может быть одна, а может быть сдвоенная и многоярусная (этажерного типа).
По виду энергии, применяемой для нагрева, печи подразделяют на электрические и пламенные (газовые и нефтяные). При. электрическом нагреве печи могут быть с открытыми элементами, с низковольтными элементами, вставленными в радиационные трубы и с индукционным нагревом.
Камеры сгорания располагаются по отношению в рабочей камере печи различно: вокруг, сбоку, сверху или снизу. Также различно могут быть расположены элементы сопротивления и. витки индукционной обмотки.
Коэффициент использования топлива (энергии) зависит от конструкции печи и размещения нагревательных устройств. В значительной степени экономичность работы печи зависит от автоматического контроля температуры в рабочей камере печи и состава атмосферы, заполняющей ее. С этой целью температура автоматически контролируется с помощью электронных потенциометров, а состав атмосферы — по углеродному потенциалу и составляющим газовой смеси.
191
При выявлении потерь тепла должны быть учтены потери тепла с конвейером, поддонами, приспособлениями: потери тепла, поглощенного нагреваемыми деталями, кладкой и отработанными газами. Рентабельность работы печи зависит также от времени на разогрев печи.
Печи строятся для нагрева, а также для охлаждения при медленном снижении температуры, например, для обработки деталей с ковочного нагрева (этажерной конструкции). Они по конструкции могут быть конвейерные, толкательные — проходные, карусельные, этажерные, вертикальные, с шагающим подом, муфель-
Рис. 80 Размещение печей в термическом цехе
ные и с открытой рабочей камерой, по нагревательной системе — электрические, газовые с радиационными трубами, расположенными горизонтально или вертикально, пламенные, по системе управления — механизированные и автоматизированные или только механизированные. Столь большое разнообразие печей объясняется требованиями технологии и масштабами производства.
Призером современной конструкции печи может служить агрегат, изображенный на рис. 81, для термической обработки шарикоподшипниковых деталей, в котором нагревают детали под закалку, а также производят цементацию. Рекомендуется в термическом цехе для обработки деталей установить однотипное оборудование как для процесса улучшения, так и для химикотермической обработки.
Для массовой обработки деталей заслуживают внимания агрегаты конструкции ЗИЛ. На рис. 82 изображен разрез 21-го поддонного агрегата конструкции ЗИЛ. Поддоны в печи передви-192
гаются по направляющим, смонтированным на поду печи. При закрытых заслонках на направляющих в рабочей камере печи находится 21 поддон и остается еще место для одного поддона. Это место занимается поддоном при выгрузке, когда все поддоны продвигаются вперед. Вставший на свободное место поддон выводится из печи лопатой вытас-кивателя. Все механизмы агрегата работают синхронно.
Для равномерного поступления газа-карбюризатора к деталям печь оборудована тремя вентиляторами, смонтированными в своде печи. Нагрев рабочего пространства осуществляется с помощью радиационного излучения тепла трубами, где горит городской газ.
Газ-карбюризатор вводят в печь через шесть отверстий с левой стороны печи на уровне половины загрузки высоты поддона деталями. В течение 1 ч вводится около 3 м3 газа-карбюризатора и 25 м3 эндогаза. Производительность печи при глубине слоя 0,8—1,0 мм и весе деталей на поддоне 100 кг 300 кг!ч.
Печь соединена с конвейерным закалочным баком для ступенчатой закалки; в комплект ее входят моечная машина и отпускная печь.
13 Заказ 849
Ььадэ он
блэдэ он
"DUMP
MQfigodu оьад]
бьадз он бьадз он бьадз он
193
1 И
Рис. 81. Установка для обработки деталей шарикоподшипников
Рис. 82. Разрез агрегата, имеющего 21 поддон
Давление в рабочей камере печи поддерживается в пределах 5—15 мм вод. ст.; нагревательные трубы расположены вертикально по обе стороны поддонов. Температура на поверхности труб достигает 1050—1080° С.
Печь разделена на четыре зоны, расположение радиационных труб в каждой зоне различное. В газопроводе каждой зоны установлены исполнительные механизмы для автоматического регулирования температуры. Трубы распределены по зонам следующим образом: 1) 16 труб подают 56 м3/ч газа; 2) 14 труб пода-ют 35 м3/ч газа; 3) 30 труб подают 50 м3/ч газа; 4) 6 труб подают 15 м3/ч газа.
Перед остановкой печи рабочую камеру продувают азотом,, после чего заполняют воздухом.
Закалочный бак наполняется маслом МК-22, МС-20 или П-28г масло нагревают до 170—180° С. При охлаждении деталей осуществляется процесс ступенчатой закалки. Для нагрева масла в бак вмонтированы две радиационных трубы, внутри которых сжигается газ. Степень нагрева труб регулируется автоматически. В баке смонтирован насос и устроены перегородки для перемешивания масла. Пространство между поверхностью масла и крышкой заполнено азотом; давление азота поддерживается на уровне 10 мм вод. ст.; расход азота 1—1,5 м3/ч. Определенный уровень масла в баке поддерживается с помощью автоматического регулирования.
В систему агрегата вмонтированы моечный бак и отпускная печь. Техническая характеристика агрегата приведена в табл. 82.
Техническая характеристика агрегата
Таблица 82
Наименование	При цементации	При карбонитрировании
Производительнссть агрегата в кг/ч . . . Глубина слоя в мм 	 Температура атмосферы в зонах печи в °C Интервал толкания в мин 	 Число поддонов	 Число температурных зон 	 Размер поддона в мм 	 Давление газа у ввода в печь в мм вод. ст	 Время пребывания деталей в отпускной печи в ч 	 Температура отпускной печи в °C ... Система отопления отпускной печи . . . Вес загружаемых деталей на поддон в кг Потребляемая электроэнергия агрегата в кет 		300 1—1,1 950—930—800—820 20 21 4 400—650 5000 3 180—200 Циркуляционна 100 84	500 0,5—0,7 840—820 15 21 2 400—650 5000 3 180—200 (я газовая 100 84
13*
195
В случае работы агрегата по схеме цементация — закалка температура с 950—930° С должна снижаться до 820° С, для чего в печи создается специальная зона подстуживания. Это достигается прекращением подачи газа в шести трубах с каждой стороны четвертой зоны. В случае работы агрегата по схеме карбонитрирование— закалка температура на всех 66 трубах автоматически поддерживается одинаковая.
АГРЕГАТЫ ДЛЯ ХИМИКО-ТЕРМИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКИ
Безмуфельные девяти- и сорокавосьми поддонные агрегаты представляют собой автоматические установки, в которых осуществляется весь технологический процесс, включающий в себя следующие операции: а) карбонитрирование (нитроцементация, газовая цементация) б) выдержка перед закалкой; в) изотермическая (ступенчатая) закалка; г) мойка деталей (двухстадийная или трехстадийная); д) отпуск (низкий, средний или высокий); е) охлаждение после отпуска (в воде или на воздухе).
Отдельные узлы агрегатов расположены так, что образуют замкнутый контур, в котором загрузка и разгрузка деталей находятся в одном месте. Это исключает потребность в специальных транспортных средствах для транспортировки пустых поддонов. Для всех типов агрегатов принят стандартный размер поддона — 650 X 400 мм\ максимальная высота загрузки 450 мм; вес полезной садки одного поддона (без веса приспособлений) 90—120 кг. Тип агрегата характеризуется его производительностью, при одинаковых условиях ведения процесса.
Созданы агрегаты с 9, 17, 21, 44 и 48 поддонами. В первых трех агрегатах поддоны расположены в печи в один ряд (однорядные), а агрегаты с 44 и 48 поддонами — двухрядные.
Создание трехрядных конструкций агрегатов нецелесообразно, так как при этом затрудняется регулирование состава газовой атмосферы.
Тепловая мощность печи, входящей в состав агрегата, рассчитана на возможность проведения в нем процессов карбонитрирования и цементации. Температура процесса цементации 950— 930° С; процесса карбонитрирования 840—820° С; температура деталей перед закалкой после подстуживания 820° С.
В состав агрегатов входит следующее оборудование:
1.	Безмуфельная печь, в которой нагрев деталей происходит излучающими радиационными трубами, нагреваемыми газовыми горелками. Печь полностью герметизирована, оборудована вентиляторами для перемешивания газовой среды и интенсификации диффузионных процессов. Со стороны загрузки и выдачи деталей печь оборудована оригинальными устройствами для шлюзования и заслонками, которые препятствуют попаданию воздуха в рабочее пространство печи.
196
2.	Механизированный закалочный бак для ступенчатой закалки деталей в масле, нагретом до 180° С и выше. Для обеспечения качественной закалки бак снабжен лопастным насосом для перемешивания масла. Производительность насоса — до 1100 я?!ч масла. Для предотвращения окисления масла и его воспламенения поверхность масла защищена азотом, заполняющим пространство между поверхностью масла и крышкой бака; бак герметизирован.
3.	Моечная машина — трехзонная для последовательной раздельной промывки и пассивирования деталей после закалки.
4.	Отпускная печь для отпуска закаленных деталей при различных температурах (в зависимости от назначения агрегата или марки стали).
Связь между отдельными звеньями и передача поддонов с деталями осуществляются при помощи гидравлических и электрических механизмов, действующих автоматически по определенной программе. Контроль теплового режима и интервала между отдельными загрузками автоматизирован. Агрегаты оснащены специальными устройствами для безопасности эксплуатации.
Агрегат с 9 поддонами (рис. 83) предназначен как для проведения комплексной химико-термической обработки, так и для улучшения с нагревом в защитной эндогазовой или экзогазовой атмосфере. В отличие от других агрегатов он снабжен механизированным баком для охлаждения после отпуска, а отпускная печь выполнена с рециркуляционным газовым нагревом до 650° С. Производительность агрегата — при карбонитрировании на глубину слоя 0,5—0,7 мм 200 кг/ч, а при улучшении — 400 кг/ч.
Агрегат с 17 поддонами (рис. 84) предназначен для химикотермической обработки деталей и включает в себе все узлы, описанные выше. Производительность агрегата при проведении процесса карбонитрирования 350 кг/ч. В этом агрегате отпускная печь для низкого отпуска обогревается отходящими газами.
Для карбонитрирования с охлаждением в защитной атмосфере также применяют агрегат с 17 поддонами. Такой процесс применяют для деталей, которые затем подвергают местной закалке с нагревом т. в. ч. Агрегат включает: печь для карбонитрирования, передаточное устройство для выдачи поддонов, охладительный коридор, устройство для выдачи деталей и механизм возврата пустых поддонов. Производительность агрегата 350 кг]ч.
Агрегат с 48 поддонами имеет производительность 1000 кг/ч. Этот агрегат включает двухрядную печь для химико-термической обработки с горизонтальными радиационными трубами, обеспечивающими проведение процесса газовой цементации при температурах до 950° С, закалочный бак с горячим маслом (170— 180°С), моечную машину и отпускную печь. Линия моечной машины и отпускной печи выполнена однорядной.
В этом агрегате введена специальная система интенсификации процесса закалки в горячем масле для возможности закалки 197
внутренних поверхностей втулок и шлицевых отверстий, работающих «сталь по стали».
Специальная система состоит из спреера, расположенного в баке в месте опускания поддона с деталями. Масло подводится в этом месте под большим давлением (около 3 кГ)см2) и энергично омывает детали. Сталь интенсивно закаливается как в зубьях шестерен, так и близ поверхности шлицевых отверстий, прокаливаясь при этом на большую глубину. Для интенсивного охлаждения необходимо иметь масло, очищенное от смол и окалины. Теплоемкость окисленного масла значительно ниже свежего и профильтрованного. Рекомендуется применять парафинистые масла марок МК22 и П28.
Безмуфельные агрегаты имеют следующие преимущества по сравнению с муфельными печами:
1.	Снижение расхода жаропрочных металлов.
Например, агрегат с 21 поддоном, заменяющий две муфельные печи, требует 4100 кг жаропрочных сталей вместо 14 000 кг, необходимых для двух муфельных печей. Стойкость жаропрочных деталей в безмуфельных агрегатах для карбонитрирования в 1,5—2 раза выше, чем в муфельных печах при ведении в них цементации.
2.	Снижение расхода топлива. В муфельных печах удельный расход топлива составляет 1800 м3 газа на 1 т деталей, в агрегатах безмуфельных не более 105 м3 на 1 т деталей при одной и той же калорийности газа.
3.	Снижение в 2—2,5 раза затрат по рабочей силе вследствие механизации технологического процесса.
4.	Сокращение внутрицеховых транспортных операций (отпадает необходимость в перевозке деталей к моечной машине и отпускной печи).
Характеристика типовых безмуфельных печей для химикотермической обработки приведена в табл. 83.
Таблица 83
Характеристика типовых цементационных печей
Наименование	Число поддонов					
	9 1	17 1	21 1	28	44 |	48
Площадь пода в м2		2,37	4,47	5,52	7,36	11,05	12,62
Производительность в кг/ч . . . .	200	350	400	540	800	1000
Приведенная производительность печей получена при ведении процесса карбонитрирования на глубину слоя 0,5—0,7 мм при 840° С в печах 9, 17, 21-поддонных, а в печах 28, 44, 48-под-донных — при ведении цементации при 950° С и глубине слоя 0,8—1,1 мм.
200
В состав каждого агрегата входит: печь, закалочный бак, моечная машина, механизм для обдувки и сушки деталей, отпускная печь, гидравлический привод, электрооборудование, пирометрическая установка, ресивер, механизм передачи поддонов, дымососная система.
Система ввода поддона в печь из загрузочного тамбура шлюзовая, вследствие чего исключается попадание воздуха в рабочее пространство печи. Форкамера перед подъемом загрузочной заслонки печи продувается эндогазом. За рубежом применяют печи подобного типа, которые характеризуются данными, приведенными в табл. 84, получаемыми при карбонитрировании.
Таблица 84
Характеристика зарубежных цементационных агрегатов в сравнении с агрегатами ЗИЛ
Фирма-изготовитель	Число поддонов в ряду	Число рядов	Г лубина слоя в мм	Производительность в кг 'ч
Штейн и Рубэ	 Бритиш Феникс 	 Людвиг 	 ЗИЛ	 ЗИЛ		22 17 15 17 21	2 2 1 1 1	0,5—0,9 1,0—1,1 0,35—0,40 0,5—0,7 0,5—0,7	250 300 225 350 400
У печей электрических нагреватели вставлены в трубы из жаростойкой стали/ при производительности 300 кг)ч расход электроэнергии около 200 квт)ч. Расход электроэнергии зависит от производительности и составляет 0,47 квт!ч на 1 кг выпуска печью деталей при производительности 300 кг)ч и 0,86 квт)ч при производительности 100 кг/ч.
Стоимость обработки килограмма деталей при одинаковых нормах глубины слоя в электрических печах выше, чем в газовых безмуфельных печах. К безмуфельным проходным печам предъявляют следующие требования:
1.	Печи должны представлять собой комплексные агрегаты, в которых можно было бы производить все операции, связанные с нагревом, последующим охлаждением, мойкой, сушкой и отпуском.
2.	Печи должны иметь автоматическое управление как процессом горения, так и перемещением деталей в печи и в смежных установках.
3.	Печи должны работать по заданной программе по температуре и времени.
4.	Печи должны быть герметичными, в них должно поддерживаться постоянные давления и состав газа в рабочей камере.
201
Помимо описанных выше, разработано большое количество печей различных конструкций, удовлетворяющих этим требованиям.
В машиностроении применяют для процесса цементации, карбонитрирования и нитроцементации безмуфельные агрегаты производительностью от 100 до 1000 кг/ч, имеющих основные одинаковые узлы.
На рис. 85 показана схема размещения таких агрегатов.
Все эти агрегаты оснащены гидравлическими механизмами, действующими автоматически при подъеме и опускании заслонок и продвижении поддонов как в печи, так и вне ее в закалочном
Рис. 85. Схема размещения агрегатов для химико-термической обработки
баке, моечной машине и отпускной печи. Герметичность затворов, наличие форкамеры, заполняемой азотом перед открытием заслонки на загрузочном конце печи для удаления воздуха, обеспечивают стабильность состава науглероживающей атмосферы, а промытые изделия в холодном масле после закалки в горячем масле не требуют очистки.
На рис. 86 изображена современная печь, схема работы которой та же, что и описанных выше отечественных агрегатов. Эта печь может быть использована как для нагрева под закалку, так и для химико-термических процессов.
Встраивание в схему приборов автоматического регулирования процессов позволяет работать на подобных агрегатах по заданной программе.
Следует использовать только безмуфельные печи (независимо от требуемой производительности), имеющие или электрический, или радиационный нагрев. Работа на камерных открытых печах недопустима, поскольку детали при нагреве в таких печах покры-202
Рис. 86. Универсальный агрегат
ваются окалиной и происходит обезуглероживание рабочих поверхностей их, что неизбежно приводит в эксплуатации к поломкам от усталости, так как в поверхностных слоях таких деталей возникают растягивающие силы, снижающие усталостную прочность деталей.
ВАННЫ
Рис. 87. Круговое размещение ванн
Ванны по способу транспортирования деталей подразделяются на автоматические и механические.
Размещение ванн возможно круговое и в длину. На рис. 87 изображено круговое размещение ванн.
На участках: / — детали подготовляются к загрузке, там же находятся детали после окончания цикла обработки; // — про-
изводится подогрев деталей воздухом; /// — нагрев соли; IV, V и VI— цианирование; VII — закалка; VIII — мойка; IX— очистка.
203
Рис. 88. Линейное размещение ванн
Рис. 89. Линейное размещение ванн с цепной передачей
в
Рис. 90. Передача деталей с помощью электротельфера
7	W
Рис. 91. Схема непрерывной не. редачи деталей по конвейеру: / — загрузочный транспортер; // — печь закалочная; III — бак; IV — щелочная ванна; V — мойка; VI — тележка
Рис. 92. Схема устройства для передвижения деталей в ванне: / — печь; II — ванна; /// -- бак:
IV — щетка
Рис. 93. То же, что и на рис. 92:
1 — ванна для юдогрева; // ванна для нагрева; /// — закалочный бак
Рис. 94. Передвижение деталей с помощью архимедова винта
Рис. 95 Устройство для смягчения удара при падении деталей
На рис. 88 изображено линейное размещение ванн со следующим выполнением операций: /— подогрев деталей горячим воздухом; II — нагрев до температуры закалки; /// — охлаждение в горячей ванне; IV — мойка; V — отпуск; VI — охлаждение; VII — очистка.
На рис. 89 изображена схема оборудования с непрерывной цепной передачей: I — навешивание деталей и снятие с конвейера; II — нагрев до температуры закалки; III — закалка; IV — отпуск; V — промывка; VI — очистка.
На рис. 90 изображена передача загрузки с помощью электротельфера: I — загрузка и выгрузка деталей; II — подогрев горячим воздухом;./// — нагрев до закалочной температуры; IV — закалка.
В точках Л, В, С показаны пункты контактирования подвески для спуска и подъема груза.
На рис. 91 показана схема непрерывного движения деталей по конвейеру (транспортеру), а на рис. 92 и 93 — схемы устройств для передвижения деталей в ванне и выгрузки нагретых деталей при механизированном управлении.
На рис. 94 изображена схема устройства для передвижения деталей в ванне непрерывно с
209
14 Заказ 849
помощью архимедова винта. На рис. 95 показана схема устройства, управляющего падением мелких деталей при поступлении в закалочный бак, на рис. 96 — схема с циклическим перемеще
ние. 97. Перемещение деталей с помощью рычажного устройства:
/ — размещение загрузки в ванне; // — закалочный бак
нием деталей в ванне, а на рис. 97 — схема перемещения деталей с помощью рычажного устройства.
ПЕЧИ С РАДИАЦИОННЫМ НАГРЕВОМ
При применении печей с радиационным нагревом для нагрева деталей при различных термических процессах так же, как и в печах с электрическим нагревом и в муфельных печах, можно использовать контролируемую атмосферу, но с большим экономическим эффектом, поскольку электрические элементы подвергаются разрушению под действием атмосферы в большей степени, чем радиационные трубы, а муфели увеличивают стоимость печей. Процессы термической обработки, требующие применения контролируемых атмосфер, производятся в интервале температуры 600—1100° С. Необходимо отметить также преимущество печей с радиационным нагревом, в которых смену труб можно произво-210
дить в процессе работы печи. Помимо того, эксплуатация печей с газовым радиационным отоплением в 2—3 раза экономичнее, чем электрических, при цене электрической энергии 1 коп. за 1 кет. ч и 1,5 коп. за 1 м3 газа.
В печах применяют U-образные и прямые вертикальные или горизонтальные трубы (рис. 98).
На рис. 99 изображена прямая труба, имеющая несколько вмятин для выравнивания температуры по длине трубы. Вмятина имеет каплеобразную форму с направлением узкой части к низу.
Для равномерного нагрева и предотвращения прогара труб горение должно происходить при а < I. При подаче в трубу газовой смеси с воздухом при а > I неизбежен перегрев трубы. Для увеличения срока службы труб их изготовляют из жаропрочной стали, например марки Х18Н15С2 или Х23Н18. С этой же целью трубы покрывают жаростойкой эмалью (опыт США), что обеспечивает непрерывную работу труб в течение 3 лет; трубы без покрытия эмалью работают на протяжении 1,5—2 лет.
При цементации или карбонитрировании поверхность трубы науглероживается и труба делается хрупкой при резком изменении температуры; поэтому не следует при прекращении работы снижать температуру в печи ниже 600° С.
U-образные трубы нагреваются неравномерно: наиболее горячая длина трубы находится в зоне поворота, U-образные трубы имеют небольшой к. п. д.
Наиболее .эффективной оказалась конструкция так называемой тупиковой трубы с газогенератором — рекуперативная тупиковая труба. Эти трубы отличаются высоким к. п. д. и низкой температурой отходящих газов. Применение таких труб позволило в цементационной печи сократить количество труб на 30% и снизить температуру отходящих газов до 400—5006С, что создает лучшие гигиенические условия труда. На рис. 100 изображена конструкция такой трубы. Расположенный в межтрубном пространстве рекуператор позволяет повысить температуру воздуха до 600° С.
Преимуществом применения радиационного газового нагрева перед электрическим является то, что электрические нагреватели в процессе эксплуатации становятся тоньше, отчего их электросопротивление увеличивается; уменьшение толщины труб не меняет их тепловую характеристику.
Наличие в электрических нагревателях дефектов (раковин, неметаллических и других включений) вызывает перегрев и выводит элементы из работы. В трубах такие дефекты сказываются незначительно. Основное преимущество труб перед электрическими элементами заключается в том, что под действием газов поверхность труб не изменяется, а поверхность электрических элементов изменяется, а это влияет на электрическую характери-14*	211
Рис. 98. U-образная труба:
1 — горелка; 2 — регулятор
Рис. 99. Прямоточная труба
стику и снижает тепловую характеристику. В том и другом случае желательна защита поверхности от науглероживания в атмосфере газа-карбюризатора.
ПЕЧИ ДЛЯ ТЕРМИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКИ ШТАМПОВОК
В зависимости от технологии термической обработки штамповок применяют различные конструкции печей для термической обработки. Штамповки подвергают закалке, высокотемпературному отпуску, нормализации, замедленному охлаждению после штамповки и отжигу. В соответствии с этим выбирают печи, модифицируя их конструкцию применительно к размерам и характеру обрабатываемых штамповок. Наиболее распространены печи с газовым радиационным нагревом. Применение их обязательно, если процесс штамповки производится в защитной среде для предотвращения окалинообразования.
Однако еще широко используют печи с пламенным нагревом, преимущественно газовым, и редко применяют электрические печи.
По конструкции механизмов печи подразделяют на: конвейерные с цепным или панцирным подом, с подвесной передачей (щелевые) и толкательные с продвижением поддонов со штамповками по рельсам, проложенным на поду печи.
Для мелких деталей используют печи барабанного типа с ретортой. Конвейерные печи удобны тем, что заготовки непрерывно перемещаются от бака к отпускной печи и к очистной установке; таким образом, можно создать автоматизированный агрегат.
213
Рис. 101. Агрегат для улучшения
Рис. 102. Печь для нормализации
Рис. 103. Агрегат со встроенной моечной машиной
Рис. 104. Агрегат толкательного типа
Конвейерные печи могут быть использованы не только для горизонтального перемещения деталей, но и для вертикального перемещения осевых массивных деталей (валы, оси), а также для мелких деталей, подвешиваемых на цепной конвейер в корзинах.
На рис. 101 изображен агрегат для улучшения. Целесообразно использовать печные установки в линии с очистными установками; на рис. 102 изображена схема такой линии с печью для нормализации. В данной конструкции охлаждение штамповок производится в контейнере, помещенном в углублении пода.
На рис. 103 показан агрегат для улучшения со встроенной в него моечной машиной, а на рис. 104 — агрегат толкательного типа с баком для погружения поддонов со штамповками.
Рис. 105. Батарея садочных печей
Кроме автоматизированных и механизированных печных установок, в термических цехах при серийном производстве используют садочные печи. На рис. 105 изображены такие печи, установленные в ряд; в этом случае загрузка и выгрузка штамповок осуществляется с помощью шаржир-машины.
Находят применение также печи с выдвижным подом для нагрева массивных деталей, а также шахтные печи различной глубины, спаренные с закалочными шахтными баками и отпускными печами.
РЕКОМЕНДАЦИИ ПО ВЫБОРУ ПЕЧЕЙ
При выборе печи необходимо учесть время нагрева, которое будет зависеть от степени поглощения тепла поверхностью де-216
тали, ее массы, теплопроводности и теплоемкости. Поэтому, например, для мелких деталей более оптимальным является нагрев в газовой печи, а не в электрической.
При выборе печи следует учитывать марку стали, из которой изготовлены детали. Если детали, подлежащие цементации, изготовлены из хромоникелевой стали, то нельзя использовать печь такой конструкции, которая позволяет вести непосредственную закалку из камеры подстуживания, а необходимо выбрать трехкамерную печь с камерами для цементации, подстуживания деталей после цементации и вторичного нагрева.
Качество продукции зависит от однородности нагрева и охлаждения, поэтому необходимо предъявлять особые требования к среде, в которой нагреваются и охлаждаются детали. В соответствии с этим печь должна иметь в комплекте газогенератор и герметичный бак с циркуляционной установкой.
При выборе агрегата должно быть известно, с какой атмосферой будет работать печь и в какой среде будет производиться охлаждение деталей.
Когда все эти вопросы будут продуманы и сделан выбор конструкции печи, то необходимо определить затраты на обработку детали, которые в значительной степени зависят от конструкции печного агрегата, так как на осуществление нагрева и охлаждения и приготовления контролируемой атмосферы затрачиваются средства. Эти затраты являются накладными расходами и весьма важно, чтобы они были минимальными.
Помимо стоимости топлива и атмосферы, накладными расходами являются: стоимость энергии, вспомогательных материалов, содержание административного персонала и прочие затраты, включая расходы на содержание обслуживающего персонала. Необходимо также учитывать прямые затраты на единицу продукции: заработную плату рабочим и техническому персоналу.
При выборе типа печи в соответствии с технологическими условиями необходимо не упустить из вида ряд обстоятельств, связанных с монтажом печи, порядком работы в сменах и порядком загрузки печи.
Весьма важно предусмотреть размещение печи в цехе с учетом потока деталей из цехов-поставщиков или со склада. Должно быть учтено снабжение электротоком, газом, паром, воздухом высокого давления. Поэтому необходимо иметь данные о напряжении тока, числе фаз, давлении пара и его количестве, объеме потребного воздуха и его давлении и пр. Кроме того, должны быть учтены условия работы на печи: удобство для работы, свет, тепло, чистота, вентиляция, санитарные условия, что в совокупности считается обязательным, тем более что современные термические цехи проектируются с кондиционированием воздуха.
Для поддержания в порядке помещения необходимо предусмотреть вентиляцию для удаления дыма, копоти, пыли и меха-217
визировать уборку помещения для удаления грязи. Приток кондиционного воздуха должен обеспечивать надлежащую температуру в помещении.
Следует предусмотреть, чтобы такие же условия были созданы и на смежных участках.
Техника безопасности работы на печах должна быть тщательно продумана и предусмотрены меры для предотвращения несчастных случаев, пожара, взрыва и т. д.
Когда все эти обстоятельства учтены и продуманы, тогда можно судить о затратах на установку новой печи. Затраты будут суммироваться из первоначальной стоимости печи и вспомогательного оборудования, стоимости топлива, электроэнергии, пара, воздуха высокого и низкого давления, приспособлений, планового ремонта печи и механизмов, заработной платы обслуживающего персонала, амортизации, накладных расходов — цеховых и общезаводских. Полученная сумма должна быть отнесена к 1 кг обработанных деталей.
МАСЛООХЛАДИТЕЛЬНЫЕ УСТАНОВКИ
К числу вспомогательного оборудования принадлежат масло-охладительные установки, предназначенные для охлаждения и очистки закалочного масла.
Сложность эксплуатации маслоохладительных установок заключается в том, что масло постоянно загрязняется окалиной и смолами, от которых необходимо очищать систему. Для стабилизации процесса закалки масло должно быть чистым и при определенной температуре. В условиях изотермической закалки, например, требуется колебание температуры масла в пределах ± 2° С. При этом подача масла происходит одновременно в несколько баков, что осложняет уход за маслоохладительной установкой, состоящей из бойлеров-барабанов, внутри которых вставлены латунные трубки для масла. Трубки омываются водой. Кроме бойлеров, в состав маслоохладительной установки входят: цистерна для сбора масла, фильтры, насос и трубопроводы. Цистерна должна иметь объем, достаточный для слива масла из всех баков, находящихся в цехе, в случае пожара.
Трубки периодически необходимо очищать от смол и других загрязнений. Образующиеся асфальтены — смолы весьма трудно удалить с поверхности трубок вследствие оседания в них мельчайших частичек окалины.
Промывку трубок следует осуществлять с использованием специальных растворов, например раствора ВНИИНП-102 (ГОСТ 10 659—63), хорошо растворяющего асфальтены. Растворяющая способность ВНИИНП-102 повышается при подогреве. Для этого через трубки первоначально пропускается перегретый пар под давлением 0,5—1,5 кГ1см?. Стенки трубок прогревают, вследствие 218
чего нагревается промывная жидкость. После первого цикла через трубки пропускают холодную воду, а затем снова промывную жидкость.
Расчет производительности маслоохладительной системы производят по формуле
Q = сА (tH • /Л) ккал/ч, где с — теплоемкость стали в ккал/кг\ А — количество охлаждаемого масла в кг!ч\ tH — температура погруженной детали в масло; tK — температура охлажденной детали.
Количество масла, необходимого для охлаждения металла, определяют по формуле
Р =-----------кг/ч,
где см = 0,45 ккал!л °C — теплоемкость масла;
Л—температура масла, поступающего в маслоохладитель, в °C;
t2 — температура масла, выходящего из маслоохладителя, в °C;
При удельном весе масла 0,9 получим объем масла
V = — Л/Ч-, 0,9
Vi = —— м3/ч. 1	1000
Yi — производительность маслоохладительной установки в ч.
ЗАКАЛОЧНЫЕ ПРЕССЫ
Для обеспечения минимальных деформаций шестерен применяется закалка в штампах на прессах, например прессах фирмы Глиссон (США). Шестерню укладывают на матрицу штампа, прижимают пуансоном с помощью сжатого воздуха и опускают вместе со штампом в бак с охлаждающей жидкостью; усилие зажатия 4000—5000 кГ (табл. 85).
В прессах фирмы Клингельнберг (ФРГ) деталь в штампе зажимается с помощью гидропривода, матрица штампа закреплена неподвижно и деталь охлаждается потоком масла, поступающего под давлением.
В прессах модели 36 предусмотрено выдвижение стола с матрицей штампа из позиции под пуансоном в позицию, удобную для загрузки деталей. После загрузки нажимают кнопку начала цикла, затем стол возвращается в позицию закалки. Охлаждение осуществляется мощным потоком жидкости, омывающей деталь.
219
Таблица 85
Типы прессов фирмы Глиссон
№ модели	Наибольший диаметр детали в мм	Способ зажатия детали	Усилие зажатия в кГ
25	635	Пневматический	5 000
18	381	То же	—.
28	500(636)	»	6 000
36	915	>	
117*	67	Гидравлический	27 000
509 и 529	267	То же	22 500
537	558	>	27 000
♦ С транспортером.			
Для улучшения качества закалки применяют трехступенчатое охлаждение: предварительное с обильной подачей охлаждающей жидкости, выравнивающее с уменьшением ее подачи и окончательное — вновь с обильной подачей. Продолжительность каждой степени охлаждения, а также интенсивность потока при выравнивающем охлаждении можно регулировать в широких пределах во время наладки станка. Зажим обрабатываемых деталей в этих станках пневматический.
Для повышения производительности во всех этих прессах деталь охлаждается в штампе неполностью, а только до определенной температуры (300—400°С). После охлаждения до указанной температуры пуансон поднимается, а деталь под слоем охлаждающей жидкости переносится на транспортер, где и происходит окончательное охлаждение. Время закалки в штампе поэтому сокращается в 2—3 раза.
В некоторых прессах фирмы Глиссон зажим детали осуществляется от гидропривода, что позволяет увеличить усилие зажима примерно до 20—25 т. При столь значительном усилии трение между деталью и матрицей штампа будет препятствовать уменьшению размеров детали при охлаждении, что привело бы к значительным остаточным напряжениям после закалки. Во избежание этого применяется пульсация нагрузки, т. е. в процессе закалки давление на пуансон несколько раз снимается и вновь прилагается. Как и в более ранней серии прессов, применяется трехступенчатое охлаждение.
Фирмой Глиссон изготовляется станок модель № 16 для закалки осевых ведущих шестерен.
Шестерня помещается в автоматическую руку. Автоматическая рука ставит шестерню в определенное положение в станке. Шестерня зажимается в центрах станка, автоматическая рука вытягивается назад, шестерня приводится во вращение и начина-220
ется цикл правки, предшествующий закалке с помощью концентричных роликов, после чего производится закалка. После окончания закалки в станок вводится автоматическая рука, которая возвращает шестерню в положение перед загрузкой.
Этот станок имеет следующие особенности:
1.	Автоматическая правка — ролики при большом давлении действуют на вал шестерни во время его вращения. Этим достигается большая точность и предотвращается коробление шестерни.
2.	Равномерная закалка шестерен при высокой твердости и автоматической регулировке температуры свежего масла.
3.	Минимальная деформация, так как вал шестерни после закалки некоторое время находится в зажатом состоянии.
ГЛАВА VI
КОНТРОЛЬ, АВТОМАТИЗАЦИЯ УПРАВЛЕНИЯ ПРОЦЕССАМИ, ОРГАНИЗАЦИЯ И ЭКОНОМИКА ПРОИЗВОДСТВА
Для ведения сложных термических процессов по заданному режиму применяются программные автоматические терморегуляторы. Прибор состоит из милливольтметра, снабженного управляющим элементом фотоэлектронного устройства, получающего первый сигнал от термопары. Этот сигнал усиливается и передается на исполнительный механизм, воздействующий на подачу топлива или электроэнергии и на программный узел рычажного типа, действующий на задающее устройство. Рычаг опирается одним концом на профилированный диск, приводимый во вращение электродвигателем (профиль диска соответствует режиму: температура — время), другой конец рычажной системы связан с задающим устройством.
В качестве измерителей температуры применяют преимущественно пирометрические милливольтметры и электронные потенциометры, а также оптические и радиационные приборы, работающие с точностью 2—3°С.
Применяются фотоэлементы для измерения температур выше 1000° С, фотосопротивления для температур ниже 150° С, радиационные пирометры со сфероидальной насадкой, с зеркальной внутренней поверхностью и флюоритовой оптикой. Пирометр предназначен для измерения температур от 50 до 1300° С.
Используется телевизионный метод контроля процессов для контроля таких участков, где невозможно установить какой-либо прибор, например если необходимо вести наблюдение за операцией передачи деталей с одного положения в другое или изучить выполнение операции в момент нагрева детали в печи. Для этой цели используются смотровые устройства, наглухо крепящиеся к стенке смотрового окна. Изображение передается на любое расстояние с помощью промышленной телевизионной камеры.
Объектив состоит из трех стекол, отделенных воздушной прослойкой. Стекло, подвергаемое непосредственно воздействию тепловых лучей, сделано из кварца. Если температура повышается 222
выше установленной для Эксплуатации, тотчас включается световой и звуковой сигналы и в этот момент опускается защитная шторка на объектив. Изображение передается на центральную станцию, где имеется устройство, синхронизирующее работу камеры и телевизора. Камеры устанавливают на расстоянии 0,5— 1,0 м от наблюдаемого объекта. Наблюдения обычно ведут на участках, недоступных для обслуживающего персонала или токсических. Помимо наблюдения за температурой, ведут наблюдения за уровнем воды или масла, давлением и т. п.
Телевизионный метод контроля позволяет вести наблюдение-за непрерывностью работы в цехе или на участке и дополняет систему автоматического управления процессами.
Контроль атмосферы в печи в процессе термической обработки способствует получению необходимых условий путем регулирования состава газовой смеси в процессе работы.
Отклонения в технологическом процессе могут быть вызваны значительными изменениями в составе атмосферы, получаемой в газогенераторах, вследствие загрузки деталей из разных марок стали, нарушения герметичности или ошибки в работе аппарата.
Для нормального ведения процесса контроля защитных атмосфер:
а)	конструкция печи должна быть надежной, обеспечивающей герметичность и изолированность рабочей камеры от окружающей атмосферы в момент загрузки и выгрузки;
б)	газогенератор должен обеспечить постоянство получения необходимой атмосферы;
в)	исходный газ для получения защитной атмосферы должен быть постоянного состава;
г)	газогенератор должен быть оборудован аппаратурой, необходимой для контроля его работы;
д)	детали, нагреваемые в защитной атмосфере, должны загружаться в печь чистыми и сухими, без окалины и пленок масла и каких-либо других веществ, так как все это загрязняет атмосферу и снижает ее защитную роль.
Для осуществления контроля состава защитной атмосферы необходимо выбрать соответствующую аппаратуру и обеспечить правильное взятие пробы газа. Газ необходимо забирать непосредственно близ нагреваемой поверхности деталей.
На пути движения газа к контрольному прибору необходимо установить фильтры для удаления загрязнений, имеющихся в газе. Забор пробы газа должен производиться с помощью насоса, так как давление газа в печи бывает низким. Трубопровод, подводящий газ к прибору, должен иметь крестовины, расположенные так, чтобы можно было производить систематическую чистку газопроводов. Следует избегать применения резьбовых соединений в трубках. Необходимо размер трубки подбирать так,
223.
чтобы не происходило большого падения давления газа при протекании его к контролирующему прибору.
При регулировании состава атмосферы в закалочной печи необходимо вести контроль непосредственно после выхода ее из газогенератора. Следует контролировать атмосферу не только по выходе из газогенератора, но и в печи. Если ведется процесс карбонитрирования регулируется углеродный потенциал атмосферы газогенератора по точке росы, а в печи — по СО2.
Если производится нагрев для закалки, то атмосфера должна иметь углеродный потенциал, при котором не происходило бы обезуглероживания и науглероживания поверхности стали.
Для процесса цементации контроль атмосферы имеет другую цель. В процессе науглероживания углеродный потенциал газовой смеси изменяется, поскольку углерод выделяется из смеси и поглощается сталью. В этом случае необходимо пополнять потерю углерода в газовой смеси, доводя углеродный потенциал до заданного.
Когда процесс ведется в камерной печи, то можно рассчитать по циклу обработки потребное количество углерода для насыщения детали до заданной степени. Таким образом, определилось направление конструирования печных агрегатов, состоящих из двух отдельных печей.
Процесс делится на две стадии: науглероживание и диффузия. При выполнении первой стадии углеродный потенциал задается выше 1,0%, для второй стадии углеродный потенциал задается 0,8—0,9%. Как известно, углеродный потенциал регулируется по точке росы; для первой стадии точка росы +3°С, а для второй —7° С.
Значительно сложнее вести регулирование насыщения углеродом в печах непрерывного производства с эпизодической загрузкой деталей. Основными требованиями и в этом случае являются: постоянство температуры, состава атмосферы и углеродного потенциала.
Для получения таких условий конструируются зональные печи, в которых можно регулировать заданный углеродный потенциал в соответствии с температурой, установленной для каждой зоны. На рис. 54 изображена схема такой печи фирмы Штейн и Рубе.
Автоматизация управления процессами
В машиностроительном производстве автоматизация управления процессами начинается с заготовительных цехов.
Осуществление полной автоматизации управления процессами в кузнечном производстве должно основываться на создании процесса термической обработки штамповок с использованием остающегося тепла после удаления облоя.
224
Схема автоматизированного технологического процесса должна быть следующая: заготовки рубятся из штанги, затем они автоматически поступают в электронагреватель, после нагрева т. в. ч. передаются автоматически в штамп под прессом, штампуются, обрезаются и передаются автоматически в камеру для под-стуживания, из которой также автоматически или поступают в конвейер для замедленного охлаждения, или закаливаются и отпускаются.
Нагрев и штамповку заготовок необходимо вести в нейтральной газовой среде, например аргона, азота, что обеспечивает отсутствие на поверхности окалины. Внедрение такого процесса исключает перерыв между операциями, транспортировку деталей в термическое отделение, затем на травление или обдувку дробью и позволяет производить термическую обработку при использовании остающегося ковочного тепла.
Внедрение в кузнечном производстве отдельных механизированных ковочных участков и автоматизированных печных установок без использования остающегося после штамповки тепла не дает большого эффекта и принципиально не изменяет организации производства. Обычно кузнечный, механический и термический цеха расположены отдельно вследствие длительности процессов термической обработки, которые сопровождаются выделением большого количества тепла и газов. Это обстоятельство затрудняет создание комплексных установок для кузнечной, механической и термической обработок. Однако возможность для этого имеется, применив, например, для изготовления шестерен процесс выкатки зубьев при нагреве т. в. ч. с последующей калибровкой зубьев и газовую цементацию также при нагреве т. в. ч. или только закалку шестерен, если изготовлять их из стали пониженной прокаливаемости.
При этом возможна следующая схема технологического маршрута: ковка заготовки шестерни на автоматизированном ковочном агрегате, нормализация с использованием остающегося ковочного тепла, обдирка на токарном автомате, выкатка зубьев на станке при нагреве т. в. ч., профилировка-калибровка зубьев полученной шестерни, обработка отверстия для втулки, карбонитрирование с последующей ступенчатой закалкой или закалка в автомате с использованием индукционного нагрева (если шестерня изготовляется из стали пониженной прокаливаемости), мойка, шлифование. Операция отпуска исключается с целью сохранения сжимающих напряжений.
Продолжительность изготовления шестерен по такому процессу сокращается с десятков часов до 2 ч.
Комплексная технология с применением автоматизации возможна также в производстве рессор на основе использования нагрева т. в. ч. рессорных листов с одновременной их гибкой в закалочных барабанах, изотермической закалкой и промывкой 15 Заказ 849	225
от масла, а затем автоматической сборкой листов. Таким же способом можно на основе автоматизации и механизации осуществлять производство валов, шатунов и других деталей.
Внедрение автоматизации управления для проведения процессов химико-термического упрочнения стальных деталей происходит весьма интенсивно вследствие применения различных приборов, контролирующих не только степень нагрева, но и состав газовой среды и степень насыщения поверхности стальных изделий углеродом.
Представляет интерес контрольно-измерительная аппаратура^ построенная на принципе автоматического указания или отсчета. Для контроля стали по структуре сконструированы приборы для измерения удельного электрического сопротивления (рис. 106),.
Рис. 106. Схема автоматической установки для контроля структуры:
/ — осциллятометр; 2 — ускоритель; 3 — предварительный усилитель;
4 — усилитель-диктор; 5 — самозаписывающий осциллограф; 6 — осциллоскоп; 7 — миллиамперметр
которое зависит от структуры и определяется по измерению индуктивности воздействующей на колебательный контур прибора. Присоединяя контакты прибора к поверхности детали, вращая калибровочный диск, добиваются возбуждения колебательного-контура; отсчет величины удельного сопротивления производят по положению калибровочного диска относительно неподвижного указателя.
Такие приборы оснащаются приспособлениями, автоматически направляющими детали, соответствующие техническим условиям, в одну тару, а не соответствующие в другую; тара имеет два отделения: первое для деталей, удельное сопротивление которых ниже нормального и второе выше. Если это закаленные детали, прошедшие отпуск, то отсортированы будут детали твердые, мягкие и нормальные.
Для ведения сложных термических процессов по заданному режиму применяют программные автоматические регуляторы 226;
температуры. Такой прибор состоит из милливольтметра, снабженного управляющим элементом фотоэлектронного устройства, получающего первый сигнал от подвижной системы прибора (этот сигнал усиливают и передают на исполнительный механизм, действующий на подачу топлива или электроэнергии), и програмного узла рычажного типа, действующего на датчик. Рычаг опирается одним концом на профилированный диск, приводимый во вращение электродвигателем. Профиль диска соответствует зависимости температуры от времени. Другой конец рычажной системы перемещает датчик.
Разработан ряд приборов для автоматической регулировки атмосферы как при нагреве стали под закалку, так и при цементации и карбонитрировании. Эти приборы построены по одному из следующих принципов:
а) изменение электропроводности соли, поглощающей воду; б) конденсирование паров воды при мгновенном расширении сжатого газа; в) конденсирование паров воды на холодной полированной поверхности; г) электролиз соляного раствора или органической жидкости.
При наличии подобных приборов можно создать комплексно автоматизированные и механизированные агрегаты для термической и химико-термической обработки различных деталей.
К малой программе автоматизации относится автоматизация управления отдельными операциями технологических процессов, например регулирование температуры с помощью потенциометров и контактных гальванометров, путем выключения питания установок электротоком или газообразным и жидким топливом. Включение и выключение подачи газа или жидкого топлива производится через рычажные системы, действующие на вентили и краны; регулирование загрузки и выгрузки деталей на приспособлениях производится с помощью реле времени, действующих от контактных часов или через звуковую или световую сигнализацию. Такими аппаратами и приборами снабжают проходные нагревательные и цементационные печи, что позволяет в значительной степени регламентировать их работу.
Создание полностью автоматизированных и механизированных комплексных линий и даже цехов дает возможность изменить существующие технологические процессы.
Организация и экономика производства в термических цехах
Основой организации производства в термических цехах является автоматизация управления процессами и механизация трудоемких работ.
Автоматизация управления технологическими процессами в термических цехах не ограничивается только управлением про цессом горения или нагрева, но применяется и для регулирова-15*	227
ния температуры охлаждения при закалке деталей, насыщения углеродом в процессах химико-термического упрочнения и для регулирования транспортирования деталей по цеху и в агрегатах. Скорость движения деталей в агрегатах и между операциями должна подвергаться автоматическому контролю, поскольку от этого зависит конечный результат (например, при процессах химико-термического упрочнения, подстуживания и изотермической закалки).
В результате наблюдений и накопления опытных данных создаются графики регулирования движения деталей, которые служат основанием для создания программы регулирования работы автоматов. Создание комплексных установок, например, для химико-термических процессов и для процессов, связанных с нагревом т. в. ч., позволяет автоматизировать весь комплекс управления процессами и создать полностью автоматизированные производственные линии и цехи.
В связи с тем, что в настоящее время большое количество деталей термически обрабатывается уже в линиях механообрабатывающих цехов, ограничимся рассмотрением вопроса об организации производства в термических цехах на участках химико-термического упрочнения и улучшения деталей с учетом вспомогательных операций (мойки, чистки и транспортирования деталей). Остальные процессы можно считать сопутствующими. Рассмотрим две схемы организации:
1. Процесс улучшения: 1) нагрев деталей под закалку в соляной ванне или в печи; 2) охлаждение в жидкой среде (вода, масло, расплавленная соль); 3) отпуск (нагрев в соляной ванне или в печи); 4) охлаждение после отпуска; 5) подсобные операции: мойка, очистка от окалины (дробеструйная обработка),транспортирование. Элементы, контролируемые при улучшении: температура, время пребывания деталей на операциях нагрева и охлаждения и печная атмосфера. Место контроля: а) температуры— закалочная печь, отпускная печь, закалочный бак, маслоохладительная установка; б) времени скорости перемещения — закалочная печь, закалочный бак, отпускная печь, моечная машина, очистная машина; в) атмосферы — закалочная и отпускная печь; эндо- и экзогазовый генераторы.
2. Процесс химико-термического упрочнения: нагрев деталей в газовом карбюризаторе, подстуживание, закалка, мойка, отпуск, очистка, транспортирование. Элементы, контролируемые при этом процессе: температура, время пребывания деталей в печах, баках, моечной машине, состав газа-карбюризатора, углеродный потенциал. Место контроля: а) температуры — рабочая камера цементационной печи; закалочный бак для промежуточного охлаждения; бак для закалки на мартенсит; отпускная печь; газогенератор; б) атмосферы — цементационная печь и на выходе из газогенератора; в) время — время пребывания (скорость пе
228
ремещения) в цементационной печи, в закалочных баках, в отпускной печи.
Современные конструкции печей позволяют производить автоматическую загрузку деталей и приспособлений (поддоны, подвески) в печь без участия работающего, а также выгрузку или перемещение из одной позиции в другую. Поэтому можно свести роль работающего обслуживающего персонала в термических цехах к контрольным функциям, т. е. к наблюдению за исправностью работы всех элементов установок и ликвидации отклонений и последствий в аварийных случаях.
Поскольку детали в термический цех должны поступать по конвейеру, конвейеры должны быть толкательной системы с магазинами, из которых поддоны или подвески перемещаются к распределительному пункту и в зависимости от команды направляются в ту или иную установку. Отдельные элементы такой системы существуют как в СССР, так и за рубежом. В СССР действует автоматический завод по производству алюминиевых поршней.
На одном зарубежом заводе имеются автоматизированные участки для химико-термической обработки деталей. Цех оборудован трехрядными цементационными печами. На каждый ряд подаются поддоны, нагруженные в механическом цехе, одноименными деталями (шестернями); количество и вес шестерен строго регламентированы. Поддон, имеющий вес а, подается автоматически на линию а печи; соответственно поддоны бив подаются на линии бив.
Каждая из этих линий оборудована контрольными часами, которые дают команду для автоматической загрузки поддонов в печь. При включении контрольных часов на линии а замыкается контактный выключатель и подается команда на подъем дверцы, вслед за этим начинает работать толкатель и поддон вводится в печь, после того, как для него освободится место. Поддон, вышедший из печи, передается автоматически на стол закалочного механизма линии а и опускается в бак, вслед за этим через установленный промежуток времени помещается поддон с линии в на стол этой линии, и поддон с линии с на стол линии с. Охлажденные детали с поддоном поступают автоматически на мойку и далее в отпускную печь. После отпуска поддоны с деталями по наклонному рольгангу поступают на погрузочную площадку, где автоматически принимаются конвейером и транспортируются на склад. Такова схема повторяющихся операций, поэтому имеется возможность при дифференцированном распределении объектов контроля (температура, время, состав атмосферы) создать задание для регулирующего устройства, которое будет строго выполнять заданную программу.
В США имеется завод, изготовляющий транспортные машины (краны, подвижные подъемники, экскаваторы, оборудование для
229
железнодорожного транспорта), на котором термический участок улучшения деталей, несмотря на большое разнообразие их, управляется одним человеком. Оборудование участка состоит из закалочной печи, двух отпускных печей, газогенераторов для эндо- и экзотермической атмосферы, закалочного бака, моечной машины и приборов для контроля температуры, состава газов и режима нагрева деталей в печи. Рабочий только загружает детали на поддон и выгружает с поддона по окончании всех операций. Все операции с момента установки поддона в печь выполняются автоматически. Скорость нагрева регулируется автоматически, так же как и выдержка. Поддон выходит из печи через установленный интервал времени и опускается в закалочный бак, затем он передается на моечную машину и из нее к загрузочному отверстию отпускной печи; далее происходят те же операции, как и в закалочной печи. После отпуска детали подвергаются быстрому охлаждению и перемещаются автоматически на стол погрузки на электрокар.
Примером организации производства в кузнечном цехе на участке коленчатых валов может служить система, где максимально использована производительность печного оборудования. В цехе установлены закалочная и отпускная горизонтальные щелевые печи, в которых коленчатые валы перемещаются в подвешенном положении (рис. 107). В закалочную печь валы поступают от молота по конвейеру, сохранив большое количество тепла. На каждой подвеске, прикрепленной к тележке, движущейся по рельсу, проложенному в своде печи, подвешивают восемь валов. Размеры рабочей камеры закалочной печи: длина 13 м, ширина 0,8 м и высота 1,8 м\ отпускная печь имеет длину 23 м.
Печь разделена на зоны, в которых автоматически регулируется температура. По выходе из закалочной печи валы попадают в камеру охлаждения, где энергично охлаждаются смесью из пара и воды. Охлаждение регулируется автоматически, поэтому валы имеют постоянную температуру, что позволяет экономить время отпуска. Вышедшие из отпускной печи валы поступают на участок правки в горячем состоянии.
Примером организации производства с использованием автоматического управления может служить процесс термической обработки рессорных листов с применением индукционного нагрева и изотермической закалки. Обычно для обработки листа затрачивается 90 мин. а при автоматизации процесса 10 мин.
Автоматическая линия для термической обработки рессорных листов включает индукционную установку для нагрева под закалку и бак для изотермической закалки, после чего листы промывают в моечной машине и упрочняют дробью.
На заводах работают отдельные участки, в которых использован принцип комплексной технологии и действуют автоматиче-230
Рис. 107. Конвейерная щелевая печь для обработки коленчатых валов
ские агрегаты с механизацией трудоемких процессов. На рис. 108 изображена схема такого агрегата в кузнечном цехе на участке производства коленчатых валов. Количество работающих в таких цехах сводится к одному человеку — высококвалифицированному энергетику; физический труд исключается.
Научная организация труда с использованием управления процессами с помощью электроники и кибернетики исключает нестабильность качества продукции и тем самым способствует надежности работы деталей машин в эксплуатации.
Рис. 108. Схема поточной линии в кузнечном цехе:
/ — склад; 2 — заготовки; 3 — нагревательная печь; 4 — ножницы; 5 — устройства для автоматической загрузки и выгрузки заготовок из печи; 6 — печь с вращающимся подом; 7 — устройство для поворота на 90°; 8 — гидравлический окалиноломатель; 9 — ковочные вальцы; 10 — устройство для поворота на 180°; 11 — 6000-тонный пресс; 12 — обрезной пресс; 13 — уборка отходов; 14 — высадка фланца; 15 — выкручивание коленчатого вала; 16 — пресс для правки поковок; 17 — подвесной конвейер; 18 — зона охлаждения на воздухе; 19 — печь для закалки; 20 — закалочная ванна; 21 — элеватор; 22 — печь для отпуска; 23 — охлаждающая ванна; 24 — дробеструйная обработка; 25 — сверление и балансировка; 26 — контроль; 27 — экспедиция
В этих условиях организации производства в термическом цехе остаются только вспомогательные рабочие: слесари, электрики и печники. Исключаются службы: бухгалтерия, диспетчерская, плановая, технологическая лаборатория. Во главе цеха остается начальник и его заместитель — энергетик, которому подчиняются вспомогательные рабочие цеха.
Все функции технологического и организационного характера выполняются центральными, а не цеховыми технологическими системами предприятия.
232
Такая организация производства может быть использована не только на заводах массового производства, но и на производствах, где можно установить агрегаты с программированным управлением.
Программирование операций осуществляется с помощью счетно-вычислительных машин. Всеми процессами термической обработки, включая отжиг, нормализацию, закалку, отпуск и химико-термическое упрочнение, можно управлять с их помощью. В программу счетно-вычислительной машины закладывают математические модели (алгоритмы)—уравнения, характеризующие все стадии процесса.
На основании математического моделирования процесса машина позволяет получить сведения о том, как контролировать процесс для получения определенных результатов. Например, при регулировании процесса газовой цементации можно повысить производительность печи, регламентировать обработку различных деталей в определенной последовательности, автоматизировать контроль. При этом сама машина будет подготовлять надлежащие условия.
Имея математическую модель процесса диффузии, можно определить степень науглероживания, а по ней распределение концентрации углерода по глубине, произвести контроль состава газа и продолжительность обработки.
С помощью счетно-вычислительных машин уже получена зависимость между температурой, составом газа и углеродным потенциалом. Применение этих машин для ведения процессов термической и химико-термической обработки открывает новые возможности для развития технологии.
В зависимости от того, какой процесс принят для обработки деталей, определяется маршрутная технология и экономика производства, а также капитальные вложения и себестоимость.
Внедрение процессов: а) изотермического охлаждения штамповок с ковочного нагрева; б) изотермической закалки штамповок, нормалей, цементуемых деталей, рессорных листов; в) высоко- и низкотемпературной термомеханической обработки; г) газовой цементации и карбонитрирования при высокотемпературном нагреве т. в. ч. со ступенчатой закалкой; д) высокочастотного нагрева деталей для высадки с одновременным нагревом для непосредственной изотермической закалки и др. коренным образом меняет технологические маршруты и позволяет организовать производство по-новому.
Создание в кузнечном производстве участков с автоматизированными и механизированными ковочными агрегатами, с непосредственной термической обработкой штамповок исключает применение повторного нагрева для нормализации, отжига, улучшения, а следовательно, исключает транспортировку штамповок в термическое отделение.
233
Широкое внедрение высокочастотного нагрева для поверхностного упрочнения вместо цементации позволило на передовых .заводах автомобильной и тракторной промышленности до 80% ранее цементовавшихся деталей перевести на этот прогрессивный процесс. Перевод деталей на индукционный нагрев максимально -сократил технологические маршруты, так как высокочастотные установки размещают непосредственно в линиях металлообрабатывающих станков механических цехов.
Внедрение процесса карбонитрирования со ступенчатой закалкой привело к созданию комплексных установок, включающих печь, закалочный бак, моечную машину и отпускную печь. Поэтому получился замкнутый цикл обработки, позволивший непрерывно выполнять одну операцию за другой. Это значительно сократило потребность в площади и исключило транспортировку деталей по цеху.
Применение индукционного нагрева позволяет также модернизировать технологический процесс производства нормалей (болтов, гаек, винтов). В этом случае металл нагревается т. в. ч. перед высадкой и вторично на металлообрабатывающем станке под закалку с самоотпуском. Поэтому исключается термическая обработка нормалей в печах. Укорачивается маршрут их транспортировки и организация производства упрощается.
Рассмотренные примеры показывают, что новые технологические процессы являются комплексными.
При составлении технологического маршрута следует переносить в линии механообрабатывающих цехов и термическую обработку, например, валов, стержней, пальцев, кулаков, венцов, крестовин, вилок, шестерен как карбонитрируемых, так и изготовляемых из стали с регулируемой прокаливаемостью.
Модернизация технологии термической обработки ведет к совершенствованию процессов механической обработки. Так, вследствие применения карбонитрирования с непосредственной закалкой в горячем масле явилась возможность внедрить вместо шлифования хонингование поверхностей деталей, упрочненных химико-термическими методами, что повышает качество деталей и удешевляет их производство.
Внедрение новых технологических процессов термической и химико-термической обработки не только сократило протяжен' яость технологических маршрутов, но и продолжительность процессов. Так, например, использование остающегося ковочного тепла штамповок позволило исключить вторичный нагрев штамповок в печах термического отделения кузницы; при этом получена экономия 6—8 ч, считая расход времени на транспортировку деталей. Процесс закалки шестерен, изготовленных из стали регулируемой прокаливаемости, продолжается всего несколько минут вместо 15—20 ч, обычно затрачиваемых при цементации и закалке с отпуском. Закалка коленчатых валов при индукцион-234
яом нагреве продолжается около 5 мин вместо обычных 5 ч. Газовая цементация при индукционном нагреве и глубине слоя около 1 мм длится 40 мин вместо 8 ч.
Применение в цехах автоматических регулирующих приборов, таких как, например, аппарат «Миллистоп» (рис. 109), позволяет изменить организацию управления и сократить количество обслуживающего персонала. В массовом производстве система толкающих конвейеров с адресным назначением дополняет комплекс механизации транспортирования деталей.
Загрузка деталей в печь обычно регулируется автоматически по весу деталей на поддоне или в ящике, причем можно направ
лять тару с деталями определенного веса в заранее подготовленные печи.
’ При современном оснащении термических цехов •автоматизированным и механизированным оборудованием отделения химико-термического упрочнения деталей, как правило, работают по потоку и вследствие этого могут быть соединены с цехами механической обработки цепными подвесными
Рис. 109. Схема аппарата «Миллископ»:
/ — деталь; 2 — зеркало; 3 — диск: 4 — фотоэлемент; 5 — генератор; 6 — электродвигатель; 7 — усилитель; 8 — реле; 9 — красная лампа; 10 — нулевой циферблат; 11 — зеленая лампа; 12 — реостат; 13 — водяной жакет; 14 — нить накола; 15 — температурный циферблат
конвейерами с программным управлением (рис. ПО). Примером может быть организация отделения химикотермической обработки на .заводе Рено и Клеоне (Франция). Цех имеет ряд цемен-
тационных печей и располо-
жен в помещении, примыкающем к механическому цеху. Детали, преимущественно шестерни, поступают в термический цех в приспособлениях, установленных на поддоны. Шестерни определен-
ного наименования загружаются на поддоны в точном соответствии с инструкцией, поэтому вес деталей и поддона всегда постоянен. Поддоны поступают на рольганг. Движение по рольгангу и передача поддона на площадку для взвешивания регулируются
автоматически.
Взвешенный поддон с шестернями автоматически подцепляется подъемным приспособлением и в зависимости от веса направляется с помощью автоматической стрелки на тот или иной подвесной цепной конвейер, по которому подается к загрузочному отверстию цементационной печи, где опускается на загрузочную площадку и затем автоматически продвигается в печь.
235
После окончания цикла обработки поддоны с промытыми деталями поступают на рольганг, с которого под действием собственного веса скатываются на площадку перед очистными дробемет-ными барабанами, загрузка и выгрузка которых происходит автоматически. Затем по рольгангу поддоны поступают на площадку для погрузки на подвесной конвейер. На рис. 111 изображена схема расстановки оборудования на участке химико-термической обработки на заводе Симка, на рис. 112 — схема цеха на заводе Бритиш Фёникс, на рис. 113 — на заводе фирмы Людвиг и на отечественном автомобильном заводе на рис. 114.
Рис. 110. Цепной подвесной конвейер
Типовая схема размещения оборудования в термическом цехе заводов массового производства изображена на рис. 115 и 116.
Рассмотрение приведенных схем размещения оборудования показывает, что могут быть организованы потоки движения деталей либо вдоль движущегося конвейера, либо перпендикулярно. В первом случае ширина здания значительно меньше, чем во втором, что удешевляет строительство цеха и упрощает коммуникацию силовых и тепловых проводок.
При использовании современных методов обработки и новых марок стали, а также нового оборудования значительно повышается качество деталей, а следовательно, долговечность их работы на машинах.
236
Рис. 111. Схема расстановки печей на заводе Симка:
J—4 — цементационные печи; 5 — рельсы; 6 — загрузочная тележка; 7 — камера загрузки; 8 и 9 — заслонки; 10 — толкатели; 11 и 12 — платформы; 13 — поворотная штанга; 14 — поворотное приспособление; 15 — моечная машина; 16 — отпускная печь;
17 — роликовый конвейер
Рис. 112. Схема расстановки печей на заводе Бритиш Феникс:
1 — толкатели; 2 — путь А и В; 3 — печь для газовой цементации; 4 — вытаскиватель; 5 — стол для осушки; 6 — закалочные баки; 7 — пресс «Глизон»; 8 — баллоны с СО2;
9 — обдувка масла; 10 — моечная машина; 11 — отпускная печь; 12 — разгрузочный путь; 13 — загрузочный путь; 14 — транспортная направляющая; 15 — разгрузочный стол; 16—печь до отжига поддона; 17 — панель контроля расхода газа; 18 — панель контроля температуры; 19 — панель контроля точки росы; 20 — контрольная панель; 21 — разгрузочный рольганг; 22 — загрузочный стол
237
Рис. 113. Схема расстановки печей на заводе < Людвиг»:
1 — печь для нитроцементации; 2 — камера выравнивания;
3 — закалочный бак; 4 — двойной элеватор; 5 — моечная машина; 6 — печь для отпуска
Рис. 114. Схема расстановки печей на отечественном заводе: 1 — гидроприводы; 2 — толкатель; 3 — механизм передачи поддонов на линии мойки и отпуска; 4 — толкательная электропечь для отпуска; 5 — стол;6 — моечная машина; 7 — разгрузочная сторона; 8 — газопроводы; 9 — водоохлаждение; 10 — толкательная электропечь для цементации
Рис. 115. Типовая схема поточного размещения печного оборудования
Примерная стоимость термической обработки деталей и? штамповок с учетом капитальных затрат на оборудование приведена в табл. 86.
Рассмотрение данных таблицы позволяет сделать следующие-выводы: совершенствование технологического процесса, связанное с совершенствованием оборудования, снижает стоимость продукции. Так, при применении т. в. ч. для газовой цементации в-2 раза снизилась стоимость обработки деталей вследствие снижения времени обработки с 8 ч до 45 мин. Совершенствование;
Рис. 116. Типовая схема группового размещения печного оборудования
процесса сказалось на снижении стоимости обработки в случае* использования ковочного тепла (соответственно 1,7 руб. и 0,4 руб.) и в случае нагрева под закалку т. в. ч., поскольку в этом случае нагревается небольшой по глубине слой.
Однако переход на более совершенный вид нагрева промышленным током вместо газа в случае улучшения мелких деталей повысил стоимость производства.
Проверка в производственных условиях подтвердила экономичность цементации деталей при нагреве т. в. ч. (табл. 87).
При обычном процессе производства рессор для термической, обработки рессорных листов используют процесс улучшения (закалка и высокотемпературный отпуск). Процесс нагпева под
239’
Таблица 86
Себестоимость и удельные капиталовложения
Процессы	Топливо	Расход на 1 т деталей	Установка	Затраты на обработку 1 т в руб.	Удельные капиталовложения на 1 т в руб.
Газовая цементация	Газ > Электроэнергия Ток высокой частоты	180 ж3 100 м3 730 квт-ч 500 квт-ч	Печь муфельная Печь безму-фельная Печь электрическая Высокочастотная установка	16,3 14,0 15,8 6,8	34,3 32,35 38,7 18,3
Нормализация	Газ	68 м3	Печь проходная	1,7	4,0
То же, с использованием ковочного тепла	>	32,4 м3	Спецустановка	0,4	2,0
Закалка при нагреве т. в. ч. с самоотпус-ком	Ток высокой частоты	560 квт-ч	Высокочастотная установка	0,8	13,0
Закалка-отпуск (крупные детали)	Газ	300 м3	Печь проходная	3,7	11,0
Закалка-отпуск (мелкие детали)	>	100 Л4»	Конвейерная печь	2,0	5,0
То же	Электроэнергия	520 квт-ч	То же	5,0	16,0
Таблица 87
Технико-экономические показатели стоимости цементации при газовом и индукционном нагреве (при выпуске в час 100 кг шестерен)
Статьи расхода	Беэмуфельная печь	Индукционная установка
Рабочая сила		 Топливо—газ—электроэнергия . . . Жароупорные отливки	 Электроэнергия силовая	 Закалочное масло 	 Цеховые расходы		2,35 6,20 2,30 1,75 0,22 п,оо	2,35 5,20 Входит в общий расход энергии 0,22 6,40
	23,82 коп.	14,17 коп.
240
закалку производится в проходных печах обычно пламенных, газовых, а отпуск — в печах такой же конструкции.
Новым модернизированным процессом является процесс — изотермическая закалка и закалка рессорных листов в индукционной установке с последующим изотермическим охлаждением в соляной или масляной ванне в зависимости от требований технических условий. Технико-экономические показатели этих процессов приведены в табл. 88.
При одинаковой производительности работающих на обычной установке с изотермическим охлаждением стоимость обработки при изотермическом охлаждении на 35% ниже вследствие снижения капитальных затрат, амортизационных расходов и расхода топлива. Качество рессор получается лучшее и долговечность выше.
Применение индукционного нагрева с изотермической закалкой из-за высокой стоимости энергии и больших капитальных затрат, а также более высокой стоимости применяемой стали выше, чем при обычном нагреве. Однако качество рессор после индукционного нагрева выше, а условия труда лучше вследствие возможности полной автоматизации. Поэто
му в этом случае, несмотря на увеличение расходов на производство, следует принять этот процесс, поскольку затраты окупятся в эксплуатации.
При решении вопроса о наиболее эффективном методе термической обработки необходимо учитывать ряд моментов, влияющих на себестоимость обработки: амортизация и механизация оборудования, стоимость стали, возможность создания комплексной технологии.
При составлении калькуляции себестоимости термической обработки необходимо учитывать заработную плату, налоги и расходы по социальному страхованию, стоимость топлива и электроэнергии, воды, пара, воздуха высокого и низкого давления, вспомогательных материалов, приспособлений, запасных частей для ремонта печей и прочего оборудования, проценты на капиталовложения; стоимость здания, печей, амортизация здания и оборудования, общезаводские расходы; расходы по содержанию всех обслуживающих организаций, ремонт, вспомогательный инструмент, стоимость потерь от брака, переплата за исправление 16 Заказ 849	241
Таблица 88
Сравнение стоимости термической обработки рессорных листов различными способами
Процесс	Производительность агрегата в кг/ч	Себестоимость 1 т в руб.
Обычный	 Закалка с нагревом т. в. ч. и изотермическое охлаждение Обычный’процесс с изотермической закалкой 		480 595 480	11 9,0 7,5
брака, заработная плата обслуживающего персонала ОТК, ПДБ, механика, энергетика, бухгалтерии и др., содержание медицинской службы, премии, отпуска и пр.
Стоимость всех затрат относится к стоимости 1 т выпускаемых изделий и тем определяется себестоимость.
Учитывая многообразие затрат, необходимо тщательно анализировать статьи расходов и принимать меры к модернизации или рационализации процессов и замене устаревшего оборудования новым.
Следует обращать внимание на повышение производительности труда путем механизации трудоемких работ и конвейерной транспортировки деталей, что эффективнее всего осуществляется при комплексной технологии.
В заключение можно рекомендовать для организации управления термическим цехом заводов массового производства следующее:
а)	в кузнечных цехах — создание автоматизированных и механизированных участков с индукционными установками для нагрева заготовок с использованием тепла, остающегося в штамповках;
б)	в основных термических цехах — перевод до 90% деталей на обработку при нагреве т. в. ч., в том числе и деталей, подвергающихся химико-термической обработке непосредственно в линиях станков механообрабатывающих цехов; закалка должна производиться с самоотпуском;
в)	10% остающихся деталей, преимущественно упрочняемых химико-термическим методом следует подвергать карбонитрированию с непосредственной закалкой в горячем масле (ступенчатая закалка), при автоматической регулировке степени насыщения углеродом и при автоматической раздаче деталей с толкающего конвейера к загрузочным площадкам печей; остальные детали подлежат обработке при нагреве под защитой контролируемых атмосфер;
г)	в цехах производства мелких деталей необходимо вести термическую обработку непосредственно на металлообрабатывающих станках при нагреве т. в. ч. с последующей изотермической закалкой;
д)	в цехах специального производства (рессорных, пружинных, арматурных, прессовых) должны быть максимально использованы автоматизированные и механизированные агрегаты с контролируемыми атмосферами.
ГЛАВА VII
ПЕРСПЕКТИВНЫЕ НАПРАВЛЕНИЯ В ТЕХНОЛОГИИ ТЕРМИЧЕСКОЙ И ХИМИКО-ТЕРМИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКИ
Перспективные направления развития технологии термической обработки деталей машин должны быть согласованы с развитием машиностроения. Машины ближайшего будущего должны иметь повышенную мощность и небольшой вес. Это потребует применения новых материалов и методов повышения их долговечности. При этом производство должно быть организовано на основе кооперирования и специализации. Для этого необходимо предусматривать технологические процессы термической обработки, встроенные в линии автоматов, изготовляющих ту или иную деталь.
Термические отделения и цехи в ряде случаев должны быть исключены из технологического маршрута. Элементы такой технологии уже существуют в настоящее время. На ряде заводов штамповки изготовляют в автоматической линии; заготовки последовательно проходят штамповку и термическую обработку в синхронно работающих агрегатах. Литые чугунные коленчатые валы обрабатываются термически в линии металлообрабатывающих станков на автоматах. Эти процессы еще будут совершенствоваться и широко внедряться.
Процесс насыщения стали углеродом и азотом будет сокращен вследствие применения специальных сталей, не склонных к снижению прочности при повышении температуры.
Большинство нормалей будут изготовлять из предварительно улучшенных штанг или бунтового материала или подвергать термической обработке при индукционном нагреве непосредственно на металлообрабатывающем станке-автомате.
Для внедрения прогрессивной технологии потребуется специальное оборудование и коренное изменение существующих технологических процессов.
Технология термической обработки штамповок. Нагрев заготовок перед штамповкой будет производиться в автоматах с помощью т. в. ч. в контролируемой газовой атмосфере. Вслед за 16ф	243
штамповкой деталей, подвергаемых в дальнейшем химико-термической обработке, должно последовать охлаждение в контейнерах, а для улучшаемых деталей — закалка с последующим отпуском.
Для осуществления такой технологии должна быть создана автоматическая линия.
Для осуществления этой технологии потребуется новый тип оборудования: вертикальная многоярусная камера для охлаждения и выравнивания температуры штамповок, поступающих в нее и охлаждаемых после удаления облоя.
В этом процессе используют агрегаты: машинный генератор высокой частоты, индукционную установку и для улучшаемых деталей закалочный конвейерный бак, отпускную конвейерную печь, экзогазовую установку.
Химико-термическая обработка. Широкое применение должен найти процесс карбонитрирования при индукционном нагреве деталей симметричной цилиндрической формы (шестерни, валы). Развитие этого процесса должно произойти на основе совершенствования автоматизированных и механизированных установок и автоматического управления насыщением углеродом и другими элементами упрочняемого слоя. Соответствующее место должен занять процесс азотирования при местном индукционном нагреве.
Закалка. Применение закалки с использованием индукционного нагрева должно значительно увеличиться. Этот процесс допускает полное автоматическое управление; длительность нагрева снижена до секунд и долей секунды, что позволяет создавать комплексные установки в линиях металлообрабатывающих станков и не нарушать ритма их работы. При этом закалка будет производиться с самоотпуском или изотермическая закалка.
Газопламенная закалка. Этот процесс приобретает перспективное значение в технологии термической обработки, поскольку может конкурировать с индукционным нагревом в процессе поверхностной закалки. Управление нагревом и автоматическим перемещением деталей должно производиться с помощью аппарата типа «Миллископ».
В зависимости от успешного решения задачи автоматизации управления нагревом и охлаждением деталей будет находиться развитие этого процесса.
Термомагнитная обработка. Развитие этого процесса окажет большое влияние на повышение прочности деталей, подвергающихся химико-термической обработке.
Термо-механо-магнитная обработка. Этот процесс должен приобрести большое значение в технологии упрочнения деталей при совмещении процессов ТМО и магнитного воздействия тока, что обеспечивает повышение прочностных и пластических свойств стали.
244
Наклеп дробью и накатка. Процесс наклепа дробью и накаткой мест, где концентрируются напряжения, признан как весьма эффективный и обязательный для упрочнения улучшаемых и химико-термически упрочняемых деталей. Применение его будет обязательным при обработке деталей, испытывающих знакопеременные или сосредоточенные нагрузки. При этом должны развиваться и конструкции установок для дробеметного упрочнения.
Высокотемпературная газовая цементация. Широкое применение должна найти высокотемпературная газовая цементация в присутствии азота, с непосредственной ступенчатой закалкой при использовании специальных сталей, содержащих титан, церий, цирконий при обычном или индукционном нагреве. Высокотемпературный нагрев способствует ускорению процесса в несколько раз по сравнению с обычным процессом газовой цементации. Для развития этого процесса должны быть разработаны трехкамерные печи; высокая температура должна быть во второй камере. Трехкамерные печи с форкамерами существуют в промышленности и используются для обычного процесса.
Контроль технологических процессов. Контроль технологических процессов будет осуществляться с помощью счетно-решающих машин с применением аппаратов для регулирования температуры, степени насыщения углеродом, температуры, состава атмосферы, скорости движения деталей. Подобная аппаратура уже разработана.
В результате осуществления данного метода регулирования процессов и контроля их исключаются экспресс-лаборатории и аппарат ОТК.
Оборудование. Типаж основного и вспомогательного оборудования должен быть приспособлен к условиям комплексной технологии на основе полной автоматизации и механизации.
Поскольку большинство мелких и средних деталей должно быть переведено на нагрев т. в. ч., нагревательные печи для процессов объемного и химико-термического упрочнения необходимо заменить специальными агрегатами, приспособленными для определенных деталей или типов деталей, например: печи для коленчатых валов закалочные и отпускные печи для осей, шатунов, шестерен и пр.
Универсальные печи должны быть использованы только для серийного производства. В производстве должны найти широкое применение полностью автоматизированные вакуумные вертикальные и горизонтальные установки.
Таким образом, намечаются следующие перспективные направления:
1.	Использование остающегося тепла в штамповках после удаления заусенца для производства последующих операций
245
термической обработки (изотермического отжига, нормализации или закалки с последующим отпуском).
2.	Применение различных видов обработки, связанных с ТМО.
3.	Расширение применения индукционного нагрева для различных процессов термической и химико-термической обработки в комплексе с механической обработкой.
4.	Применение процесса карбонитрирования при индукционном нагреве.
5.	Применение высокотемпературного нагрева для процессов объемного и поверхностного упрочнения.
6.	Изотермическая закалка деталей.
7.	Применение нагрева в вакууме и магнитном поле.
8.	Создание комплексных процессов на основе ковки или литья, механической и термической обработки.
Все эти процессы в том или ином виде апробированы в промышленности. Для внедрения их необходимо новое специальное оборудование и марки стали.
ГЛАВА VIII
ОСНОВЫ ПРОЕКТИРОВАНИЯ ТЕРМИЧЕСКИХ ЦЕХОВ
Надежность работы деталей в узлах машин, согласно современному представлению о прочности стали и чугунов, основывается на исследованиях, так называемой, тонкой структуры, т. е. субмикроскопического изучения строения металла, получающегося в результате комплекса процессов горячей и холодной обработки. В соответствии с этим применение того или иного процесса термической или химико-термической обработки должно быть основано на научных комплексных исследованиях, т. е. исследованиях исходного состояния металла, промежуточных его состояний при холодной и горячей обработке и окончательного состояния детали. Все эти стадии исследования имеют целью выявить моменты, на которые необходимо влиять, чтобы получить в конечном результате требуемые свойства от металла в изделии.
Поэтому нельзя проектировать процессы и оборудование, основываясь только на положениях, установленных практикой. Так, например, устаревшая практика производства рессор основывается на применении пружинных сталей, подвергающихся закалке и отпуску и упрочняемых наклепом дробью. Для осуществления такого технологического процесса монтируются термические агрегаты для закалки и отпуска, закалочные машины и установки для упрочнения дробью.
Изучение металла в различном состоянии показывает, что, помимо микроструктуры, качество рессорных полос и, следовательно, рессоры зависит от субструктуры, поскольку необходимо, чтобы свойства стали в рессорном листе были одинаковыми по сечению даже в микрообъеме. При печном нагреве получить такое состояние невозможно. При нагреве т. в. ч., несмотря на весьма короткое время, степень нагрева как на поверхности листа, так и в сердцевине будет совершенно одинаковой. В результате этого строение блочной структуры и фрагментация блоков по сечению рессорного листа будут идентичными, чего нельзя получить при весьма длительном конвекционном способе нагрева.
247
Поэтому для получения максимальной долговечности и надежности работы рессор, основываясь на научном анализе явлений, происходящих в металле во время нагрева и охлаждения, необходимо проектировать индукционные установки вместо громоздких печей.
Не только нагрев, но и охлаждение влияет на конечный результат. Процесс охлаждения при закалке рессорных листов проходит в несколько стадий. Необходимо управлять течением каждой стадии и только при этом условии можно получить соответствующий эффект.
Исследованиями установлено, что изотермическая закалка обеспечивает максимальную выносливость рессорных листов, поэтому вполне обоснованно проектировать изотермическое охлаждение.
Основываясь на изложенном, следует проектировать оборудование в комплекте: генератор для получения т. в. ч., индукционную установку, конвейерный закалочный бак, маслоохладительную установку, дробеметную установку. Индукционная установка должна включать формовочную машину. Два варианта проекта участка термической обработки рессор обычно отличаются один от другого, а это вызывает ряд требований к проекту здания, транспортным устройствам, силовой станции и пр.
Приведенный пример показывает сложность проектирования термических цехов и участков для обеспечения высокого качества деталей. Прежде всего необходимо, чтобы был обоснованно составлен технологический процесс и для него выбрано соответствующее прогрессивное оборудование. Пример, основанный на выборе технологии термической обработки рессор, является наиболее простым.
Значительно сложнее проектировать термический цех для обработки деталей, подвергающихся горячей механической обработке— ковке, штамповке, промежуточной холодной обработке и окончательной термической или химико-термической обработке (например, для обработки шестерен). Кроме того, при проектировании необходимо обеспечивать рентабельность и технологичность процесса, оборудование должно быть недорогим, механизированным и автоматизированным и скомпонованным в комплексные линии.
При проектировании термических цехов необходимо предусмотреть для выполнения прогрессивного технологического процесса комплексное автоматизированное оборудование. Следует отметить, что существуют установки автоматического действия для термических и химико-термических процессов, работающие по заданной программе. Только при наличии такого оборудования можно гарантировать идентичность и, следовательно, стабильность процессов и качества продукции. Затем при проекти-248
ровании необходимо создавать комплексные технологические процессы, включающие промежуточные начальные и конечные технологические процессы горячей и холодной обработки. При таком положении можно реализовать принцип поточности и специализации производства.
Например, если проектировать в условиях массового производства процессы в кузнице, термическом и механообрабатывающих цехах без подразделения по типажу, то это не позволит специализировать производство, так как на одном и том же прессе будут штамповаться различные детали, изготовленные из различных марок стали. Это создаст многообразие в качестве металла, даже если будет применяться металл одной и той же марки, потому что степень уковки металла будет различной для различных деталей, поскольку мощность пресса будет постоянной, а сечение детали разное. Различная степень уковки металла создаст различие в субструктуре металла (в строении блоков и фрагментов), так как плотность будет различной. Это влияет на обрабатываемость стали и даже на деформацию деталей при термической обработке. В равной степени это скажется на производительности станков и качестве механической обработки по чистоте поверхности.
Таким образом, принцип специализации не только предприятий и цехов, но и отдельных производственных линий является необходимым для обеспечения высокого качества, экономичности процессов. Следовательно, проектирование термических цехов должно производиться на основе научного обоснования технологии применительно к определенной марке стали. Последний фактор имеет исключительное значение: каждая марка стали имеет специфическую особенность и поэтому для термической или химико-термической обработки деталей из нее должен быть особый вариант технологии.
В соответствии с этим в специализированных производствах, выпускающих прецизионную продукцию, используют для обработки изделий из разных марок печные установки с автоматической регулировкой процесса по заданной программе. Помимо специализации агрегатов, следует основываться на создании комплексной технологии, включающей процессы горячей, механической и термической обработки. Скомпонованные линии должны работать в одном ритме.
Подобная установка может быть использована на заводе, изготовляющем, например, шестерни, которые можно изготовлять штамповкой заготовок на автоматических агрегатах, включающих мотор-генератор, индукционную установку, пресс для штамповки, пресс для обрезки заусенца, установку для охлаждения или выравнивания температуры, закалочный бак, отпускную печь, ряд станков для механической обработки и выкатки зубьев, индукционную установку для нагрева зубьев шестерни 17 Заказ 849	249
под закалку, бак для ступенчатой закалки, моечную машину и отпускную печь.
Таким образом, следует иметь в виду три основных положения при проектировании: 1) научное обоснование технологии применительно к определенным маркам стали; 2) специализацию производства и 3) комплексную технологию. Отдельные объекты, спроектированные на этой основе, существуют в промышленности.
Существуют установки для: совмещения штамповки с последующей термической обработкой, участки, на которых шестерни после механической обработки автоматически поступают на термическую обработку (закалку при индукционном нагреве); агрегаты, включающие печь для химико-термической обработки, закалочное устройство, моечную машину и отпускную печь; отдельные цехи, в которых по конвейеру детали поступают из механообрабатывающего цеха в термический по адресному конвейеру и автоматически в соответствии с весом деталей на поддоне поступают к загрузочному окну печи, затем перемещаются в печь, химико-термически обрабатываются и последовательно проходят через ряд процессов, которые заканчиваются наклепом дробью.
Экспериментально проверен более сложный комплексный технологический процесс, включающий газовую цементацию. По этому процессу изготовлялись шестерни, заготовки которых не штамповались, а отливались в оболочковых формах, нормализовались после автоматического удаления приливов, нагретые т. в. ч. для исключения видманштеттовой структуры, зубья и шлицевое отверстие шевенговались, после чего шестерни подвергались процессу карбонитрирования, ступенчатой закалке, мойке и упрочнению дробью. Этот вариант технологического процесса представляет наиболее совершенную схему комплексного технологического процесса. Качество продукции было получено отличное, поскольку все процессы выполнялись пунктуально и под контролем аппаратов.
Основываясь на реальности создания подобных производств, следует при проектировании максимально использовать компоновку участков или линий с агрегатами для термической и химико-термической обработки. При этом условии можно получить идентичность качества и достичь долговечности и надежности работы деталей машин.
Необходимо также учитывать роль индукционного нагрева в современных процессах термической и химико-термической обработки стальных деталей.
В тракторах и автомобилях до 60—80% цементованных деталей переведено на закалку при индукционном нагреве; кроме этого разработаны процессы газовой цементации с помощью индукционного нагрева. В соответствии с этим возникла возмож-260
ность вынести в линии механообрабатывающих цехов ряд термических установок, что должно быть учтено при разработке проектов цехов и участков термической и химико-термической обработки.
Новый этап в строительстве специализированных предприятий машиностроительной промышленности должен быть обеспечен созданием новых термических цехов и участков с учетом указанных выше положений.
Деталировка задачи упрощается в связи с возможностью организации производства с автоматическим управлением процессами.
В автомобильной и тракторной промышленности, сельхозмашиностроении и станкостроении, являющихся отраслями массового производства, рекомендуемые схемы проектирования термических цехов и участков частично осуществляются и в дальнейшем могут быть осуществлены полностью.
Особенно целесообразно использовать рекомендуемую методику проектирования на вновь строящихся заводах запасных частей, обычно представляющих специализированный вид производства.
Как известно, проектирование резделяется на три этапа: проектное задание (технико-экономическое обоснование), технический проект и рабочий проект. При составлении проектного задания должен быть выбран технологический процесс для осуществления условий, вытекающих из чертежных данных. Специфические условия существуют для выбора процессов для каждого цеха, где предлагается установить оборудование для термической обработки деталей машин.
Так, в кузнечных цехах специфика заключается в получении штамповок, подготовленных для механической обработки при выполнении требований, обеспечивающих высокие прочностные свойства стали в штамповках. В основных термических цехах специфика заключается в получении деталей минимально деформированных, высокопрочных и износостойких.
В специализированных цехах, например в рессорно-пружинных, специфика заключается в обеспечении получения рессор и пружин с большой выносливостью и устойчивых против релаксации. В соответствии с этим с учетом принятых марок стали и требований к качеству следует выбрать технологию и оборудование и обосновать этот выбор.
При разработке технического проекта должна быть произведена та деталировка, о которой говорилось раньше. Выбранный типаж оборудования должен быть детально заспецифицирован с учетом программы изготовления деталей, дифференцированно распределенных по группам и маркам стали. Должны быть определены программы производства, капитальные затраты, вспомогательные материалы, рабочий и технический персонал, транс-17*	251
портные средства, топливо и электроэнергия. Должно быть спроектировано здание, подъездные пути, складские помещения и прочие вспомогательные службы, а также определены техникоэкономические показатели и организация производства и мероприятия по технике безопасности с учетом бытового обслуживания работающих.
В рабочем проекте производятся все уточнения в соответствии с документальными данными на оборудование и разрабатывается оснастка и дополнительное вспомогательное оборудование.
Наиболее ответственная часть работы заключается в разработке технического проекта.
Кузнечное производство. Учитывая специфику технологии термической обработки штамповок в соответствии с принципиальным направлением создания комплексной технологии, нецелесообразно проектировать термический цех в кузнице. Только комплексная технология и организация производства должны быть запроектированы в современном кузнечном цехе. В соответствии с этим все процессы термической обработки штамповок должны быть основаны на использовании остающегося тепла после удаления облоя. Это принципиальное положение осуществляется как за рубежом, так и на отечественных заводах массового производства.
Не только средние и мелкие штамповки обрабатывают термически с использованием остающегося тепла в штамповках, но и крупные (например, коленчатые валы, передние оси, торсионы, поворотные кулаки автомобилей). Нагрев под штамповку большинства заготовок автомобильных, тракторных и станочных деталей, а также деталей сельскохозяйственных машин должен осуществляться с помощью т. в. ч.
Нагрев крупных заготовок (коленчатых валов, передних осей, полуосей) под штамповку должен производиться в проходных толкательных печах с контролируемой атмосферой. После штамповки и подстуживания до температуры Ас3 + 50° С производится закалка или нормализация, а также изотермический или ступенчатый отжиг штамповок. Штамповки, прошедшие закалку, подвергают высокотемпературному отпуску в проходных толкательных или конвейерных печах, установленных в линии с прессами.
Таким образом, проектирование в кузнечном цехе термических участков должно быть согласовано с размещением ковочных и нагревательных средств, устройств для термической обработки. Кроме того, необходимо проектировать местные газогенераторы для контролируемой атмосферы. Транспортировку готовой продукции целесообразно вывести из цеха и участка кратчайшим путем.
Целесообразно оборудование располагать по оси, перпенди-
252
кулярной центральной оси цеха. Заготовительное отделение кузнечного цеха должно быть расположено параллельно основному корпусу. Заготовки по кратчайшему пути должны поступать на участок штамповки. При таком размещении оборудования создаются грузопотоки одного направления, что целесообразно в организационном отношении.
При поточном производстве и автоматическом управлении процессами, включая транспортные, можно продолжить грузопотоки в механосборочные цехи и далее в основные термические цехи.
Основной термический цех. Проектирование основного термического цеха должно начинаться с распределения деталей в потоке механообрабатывающего цеха, включая часть деталей, подлежащие химико-термической обработке. В основном термическом цехе целесообразно обрабатывать только детали, подлежащие химико-термическому упрочнению — карбонитрированию.
Например, рассматривая спецификацию автомобильных деталей и узлов, подлежащих термической обработке и химико-термическому упрочнению, можно вывести в линию механообрабатывающих цехов коробки передач, двигателя, шасси, заднего моста следующие детали: коленчатый вал, распределительный вал, пальцы поршня, толкатель клапана, венец маховика, цилиндрические шестерни коробки передач одновенцовые, шестерню ведущую коническую, стержни, вилки, головки, полуоси, шестерни заднего моста цилиндрические, шкворень, шаровые пальцы, рессорные пальцы, крестовины кардана и дифференциала, конец карданного вала, шлицевые валы и другие детали.
В основном термическом цехе должны остаться: шестерни коробки передач двухвенцовые и хвостовые, полуосевые шестерни, сателиты, детали рулевого управления, мелкие шестерни спидометра, кривошипа насоса для шин и прочие мелкие детали, подлежащие карбонитрированию и детали, подлежащие улучшению.
Таким образом, основным процессом термического цеха остается карбонитрирование. Процесс жидкостного цианирования исключается. Болты, винты, гайки, мелкие детали, объединенные в группу «Нормали», должны обрабатываться по месту изготовления в специализированных цехах. Должен быть применен для их обработки процесс карбонитрирования со ступенчатой закалкой в горячем масле вместо цианирования.
Основной термический цех должен быть автоматизированным, поэтому должна быть предусмотрена доставка в термический цех деталей по толкательному адресному конвейеру, а распределение деталей, погруженных на поддоны в механообрабатывающем цехе по печам — с помощью распределительного устройства, устроенного на принципе весового воздействия на контакт
253
ную стрелку, замыкающую цепь приводов конвейера определенного направления.
Для каждой детали должен быть спроектирован отдельный агрегат, в котором процесс карбонитрирования и закалки должен производиться по заданной программе автоматически.
Следует отказаться от двух- и многоручьевых агрегатов для процесса карбонитрирования, поскольку в таких агрегатах нагрев, а следовательно, и степень насыщения углеродом и азотом диффузионного слоя весьма неоднородны.
Необходимость применения такой системы вызывается тем, что требования к качеству деталей, подвергающихся термической и тем более химико-термической обработке, весьма возросли, если судить по нормам на деформацию таких изделий, как
шестерни, которые после термической обработки должны подвергаться хонингованию. Для осуществления этой операции требуется, чтобы изменение размеров зубьев шестерен и отверстий находилось в пределах тысячных долей миллиметра. Шлицевое отверстие шестерни модуля 4 мм должно иметь отклонение от допуска по диаметру на сторону не более 0,025 мм, а по высоте не более 0,05 мм.
Целесообразно для каждого агрегата иметь индивидуальный газогенератор для получения эндогазовой атмосферы, маслоохладительную установку и установку для наклепа (рис. 117 и 118).
При такой системе организации технологического процесса в термическом цехе
Рис. 117. Эндогазовый генератор
исключается: экспресс-лаборатория, контроль твердости, размеров и структуры, поскольку все процессы должны контролироваться автоматически.
Установки, расположенные в механообрабатывающих цехах, должны быть также обеспечены приборами для автоматического управления.
Перевод большого количества деталей на упрочнение путем закалки при индукционном нагреве гарантирует высокое и стабильное качество деталей.
254
Оборудование термического цеха главным образом должно состоять из безмуфельных однопутевых агрегатов различных размеров.
В соответствии с новейшими достижениями в строительстве печей необходимо отдать предпочтение агрегатам, состоящим из двух по существу печей: двух- или трехзонная печь для ведения процесса нагрева и науглероживания и камерная печь для снижения температуры под закалку и доведения содержания углерода точно по заданному углеродному потенциалу.
При такой конструкции агрегата можно углеродный потенциал выдерживать в весьма узком интервале и получать содер-
Рис. 118. Схема эндогазового генератора:
1 — вентилятор; 2 — горелка смесителя; 3 — генератор с холодильниками и ретортами; 4 — электронасос; 5 — смеситель; 6 — ротаметр; 7 — сепаратор;
8, 9 — фильтры
жание углерода в поверхностном слое на глубине 0,2 мм в пределах 0,80—0,85 или 0,90—0,95%.
Улучшение мелких деталей следует производить в печах с контролируемой атмосферой.
Экзогазовая установка может быть одна для всего цеха и состоять из нескольких газогенераторов.
Индукционный нагрев должен осуществляться с помощью машинных генераторов с автоматической регулировкой напряжения. Мощность генераторов выбирают в зависимости от потребной по расчету; частота 8000—10 000 периодов.
Генераторы размещаются в подвальном помещении под индукционными установками, расположенными на первом этаже.
255
Цех должен быть оснащен центральной маслоохладите-льной установкой для закалочных баков агрегатов улучшения. У каждого агрегата для карбонитрирования должна быть своя ьгасло-охладительная установка для стабильности охлаждения деталей при строго установленном давлении масла (в пределам 4 — 5 кГ)мм2).
Специализированные цехи. При современном состояния! технологии изготовления нормалей, пружин, рессор, штампогзок и пр. необходимо организовать в таких специализированных пхехах свои термические отделения. Это соответствует принципу сггециа-лизации производства. О производстве термической обработки рессор было подробно написано в начале главы.
Цех термической обработки пружин при изготовлении пх из стали, подвергнутой термомеханической обработке, должен быть спроектирован только для отпуска с целью снятия напряжений от завивки. Для этого должны быть использованы электрические печи с подвесным конвейером, на котором в корзинах в специальных приспособлениях для «заневоливания» (сжатые до соприкосновения витков) перемещаются пружины, подвергаяс ь отпуску. Пружины после отпуска подвергают наклепу дробью для создания сжимающих напряжений в поверхностных слоях: металла с целью повышения долговечности.
Цех термической обработки «нормалей» (болтов, ви нтов> пальцев, шайб и пр.), изготовляемых в массовом количествен должен быть организован на основе современной технологии, т. е. без участка жидкостного цианирования. На основании опыта массового производства взамен цианирования должен быть применен процесс карбонитрирования с охлаждением на воздухе или в масле.
Оборудование термического цеха для обработки «нормалей» должно состоять из ретортных печей с архимедовым винтом: для непрерывного процесса нагрева «нормалей», закалочных баков, и эндо- и экзогазовых газогенераторов.
Применение ретортных печей с архимедовым винтом дл?я передвижения нормалей как для процесса карбонитрирования^ так и для процесса улучшения способствует типизации оборудования и вместе с тем позволяет создать автоматизированные агрегаты. Цех должен иметь маслоохладительную установку. Термическое отделение прессового цеха предназначено для термической обработки штампованных деталей из листовых материалов п из ленты. Детали этого цеха подразделяют на штамповки из толстого горячекатаного листа (лонжероны, балки мостов и пр -) и штамповки из тонкого листа. Штамповки из толстого листа обычно подвергают процессу улучшения.
Современный процесс термической обработки штамповок из тонкого листа марки 08кп заключается в цементации с регулированием углеродного потенциала, для получения любой степени 256
насыщения углеродом по всему сечению штамповки. Такой процесс носит название, как известно, процесса гомогенизации.
В случае необходимости после гомогенизации детали можно подвергать закалке в масле или в воде и отпускать на любую твердость.
Оборудование участка термической обработки прессового цеха должно состоять из закалочных и отпускных печей для процесса улучшения (рис. 119) и цементационных для процесса гомогенизации.
В случае применения закалки деталей после гомогенизации должны быть смонтированы закалочные баки с моечной машиной (рис. 120).
Каждая цементационная печь должна иметь газогенератор для приготовления эндогаза. Регулирование процесса цементации должно осуществляться по СОг с помощью аппаратов инфракрасного излучения. Но возможно применять регулирование также по точке росы.
На основании установившихся положений в области термической обработки стальных деталей, основывающихся на использовании автоматизированного и механизированного оборудова-ня, основные направления в проектировании термических цехов, как это изложено выше, одинаковы для различных цехов, предназначенных как для обработки полуфабрикатов заготовительных цехов, так и для обработки деталей. Эти направления сводятся к исключению ряда существующих процессов и замене их более рентабельными, в результате чего обеспечивается долговечность работы деталей машин. Влияние автоматизации управления процессами на коренное изменение технологии может быть охарактеризовано некоторыми примерами: а) применение автоматизированных механических ковочных прессов и высокотемпературного индукционного нагрева заготовок под штамповку в кузнице с использованием остаточного ковочного тепла для термической обработки штамповок позволило исключить из маршрута термические отделения; б) применение индуктивного нагрева вызывало изменение технологии автомобильной, тракторной и станкостроительной промышленности, где около 80% цементуемых деталей переведено на обработку в поток механообрабатывающих цехов на автоматизированных индукционных установках; в) широкое внедрение безмуфельных комплексных автоматизированных установок для карбонитрирования со ступенчатой закалкой позволило все цементуемые детали обрабатывать в автоматических установках и исключить закалочные и отпускные печи.
Необходимо отметить, что за рубежом в настоящее время уделяется большое внимание перестройке технологических процессов на основе автоматизации с программированием задания.
257
Рис. 119. Агрегат для закалки штамповок:
/ — загрузочный конвейер; 2 — печь; 3 — транспортер; 4 — моечная машина
Рис. 120. Агрегат для термической обработки штамповок из листа
Так, например, в США разработана универсальная автоматическая установка «Роботрол», в которой все операции технологического процесса выполняются по программе, зафиксированной на перфорированной ленте.
Ближайшими задачами в машиностроительной промышленности в области автоматизации управления термическими процессами являются: интенсификация нагрева; сокращение длительности процессов на основе комплексного выполнения операций; механизация трудоемких работ; сокращение транспортных операций; создание комплексных автоматизированных и механизированных агрегатов; создание автоматизированных поточных линий.
ЛИТЕРАТУРА
1.	А с с о н о в А. Д., Шепелявений К. 3., Ланкин П. А. Газовая цементация с индукционным нагревом. Машгиз, М., 1958.
2.	Астафьев А. А., Абрамова А. И., Кондратьев В. П., Мануйлов В. П. Закалка крупных поковок с ковочного нагрева. «Металловедение и термическая обработка металлов», № 3, 1963.
3.	Балтер М. А., Туровский М. Л. Контактная прочность цементованной стали, «Металловедение и термическая обработка металлов», № 3„ 1963.
4.	Бернштейн М. Л. Высокотемпературная термомеханическая обработка металлов. «Металловедение и термическая обработка металлов», № 7Г 1965.
5.	Бернштейн М. Л., Дреган Н. Термическая обработка труб для нефтяной промышленности. «Металловедение и термическая обработка металлов», 1965.
6.	Бернштейн М. Л., Займовский, Капуткина Л. М. Особенности упрочнения стали при термомеханической обработке. «Металловедение и термическая обработка металлов», № 5, 1967.
7.	Б л а н т е р М. Е., Сурин А. И. Структурная природа упрочнения при ТМО. «Металловедение и термическая обработка», № 8, 1964.
8.	Б р а у н М. Н. Природа излома стали. Сб. «Термическая обработка». М.,. «Машиностроение», 1965.
9.	Брон Л. И.. Л е в и т е с И. И., Р а х ш т а д т А. Г. Влияние ТМО на< усталостную прочность стали. «Металловедение и термическая обработка металлов», № 4, 1963.
10.	Болховитинов Н. Ф. «Металловедение и термическая обработка»,. М., «Машиностроение», 1965.
11.	Гудремон. Специальные стали, Металлургиздат, 1965.
12.	Давыдова Л. Н. Свойства конструкционной стали, обработанной синтетическим шлаком. «Металловедение и термическая обработка металлов»,. № 9, 1965.
13.	Иванова В. С., Гордиенко Л. К. Новые пути повышения прочности металлов. М.. «Наука», 1964.
14.	К а л и н и н А. Т.. Новикова А. Я. Оптимальная степень насыщения углеродом и азотом при нитроцементации. «Металловедение и термическая обработка металлов», № 10, 1965.
15.	Кальнер В. Д. и др. «Известия АН СССР. Металлы», 1966, № 4.
16.	Кидин И. Н. Фазовые превращения при индукционном нагреве стали. М., Металлургиздат, 1957.
17.	Козловский И. С., Лебедева А. Т. Прочность цементованного слоя при различных режимах термической обработки. «Металловедение и термическая обработка металлов», № 3, 1964.
18.	Медовар Б. И., Латаш Ю. В. Электрошлаковый переплав. Киев, «Наукова думка», 1965.
19.	П р о к о ш к и н Д. А. и др. Исследования по высокопрочным сталям и нитевидным кристаллам. М., Изд-во АН СССР, 1963.
260
20.	Просвирин В. И. Структурная неоднородность зерен аустенита при высоких температурах. «Металловедение и термическая обработка», № 3, 1956.
21.	Раузин Я. Р. Сб. Уралвнито. «Термическая обработка металлов». Машгиз, 1965.
22.	С а д л е р Н. И., Б а р к о в В. Н., Ю н а ш В. М., ГриншпунЕ. Д. Сульфидирование стали для повышения противозадирных свойств. «Металловедение и термическая обработка металлов», № 3, 1964.
23.	С т е ц е н к о Б. А. О промышленном применении газового цианирования. «Металловедение и термическая обработка металлов», № 10, 1957.
24.	Фоменко Г. Д., Егоров В. С, Андреева А. Г. «Металловедение и термическая обработка металлов», № 1, 1963.
25.	Ш м ы ко в А. А., Малышев Б. В. Контролируемые атмосферы. М.. Машгиз, 1953.
26.	Ш у к ю р о в Р. И., Паисов И. В. Влияние легирования на свойства кремнистой рессорно-пружинной стали. «Металловедение и термическая обработка металлов», № 9, 1966.
27.	Devenport Bain Transaction of ASM, № 10, 1934.
28.	Rose — Strasser Stahl und Eisen, № 22, 1955.
Chipmaker.ru
ОГЛАВЛЕНИЕ
Введение .
3
Глава I. Конструкционная сталь .	5
Сталь, рафинированная синтетическим шлаком .	.	6
Сталь, рафинированная электрошлаковым переплавом	. 10
Сталь пониженной прокаливаемости.............................11
Сталь для деталей, подвергающихся высокотемпературному нагреву 12
Мартенситостареющие стали....................................14
Кислородно-конверторная сталь............................... 10
Стали — заменители сталей, содержащих никель.................16
Унификация марок стали.......................................10
Прокаливаемость стали ...................................... 21
Глава II. Технология термической обработки деталей машин .	28
Процессы термической обработки .....	28
Отжиг......................... ................... 30
Нормализация................................................ 32
Ступенчатая, изотермическая и обычная закалка .	.	34
Улучшение......................................... .	. 35
Старение.....................................................36
Технология производства штамповок............................37
Гомогенизация твердого раствора ............................ 37
Высокотемпературный нагрев...................................30
Использование ковочного тепла для термической обработки штамповок...................................................48
Термомеханическая обработка....................................55
Низкотемпературная термомеханическая обработка.................57
Высокотемпературная термомеханическая обработка .... 58
Промежуточная термомеханическая обработка....................62
Комбинированный процесс термомеханической обработки ... 62
Перспектива внедрения процессов ТМО.................. 63
Технология термической обработки заготовок и деталей машин .	. 65
Технология термической обработки штамповок для подготовки структуры к операциям механической обработки .............. 65
Технология термической обработки крупных штамповок	68
Технология термической обработки рессор и пружин .	.	.	. 70
Технология закалки деталей ................................. 80
Технология ступенчатой и изотермической закалки ............ 85
Термическая обработка в магнитном поле.......................93
Термическая обработка при нагреве в вакууме..................94
Технология термической обработки отливок ................... 96
Технология термической обработки деталей при индукционном нагреве .....................................................90
262
Практика закалки деталей при индукционном нагреве .	.	. 102
Закалка крупномодульных шестерен из стали пониженной прокаливаемое™ .................................................107
Глава III. Технология химико-термической обработки деталей машин 109
Процессы получения контролируемых атмосфер.................109
Контроль углеродного потенциала по СОг.....................117
Процессы химико-термического упрочнения....................120
Требования к качеству деталей, упрочненных химико-термическими методами................................................134
Термическая обработка холодом..............................136
Технологический процесс химико-термической обработки шестерен 137
Термическая обработка штамповок шестерен...................137
Термическая и химико-термическая обработка шестерен	. 140
Газовая цементация шестерен при нагреве т. в. ч............145
Качество шестерен, упрочненных химико-термической обработкой 156
Отечественная и зарубежная практика химико-термической обработки шестерен.............................................163
Глава IV. Влияние термической и химико-термической обработки на долговечность работы деталей машин...............................168
Усталостная прочность деталей машин..........................168
Контактная прочность ....................................... 178
Вибрационная вязкость стали .................................181
Износ деталей................................................181
Качество химико-термически и термически обработанных деталей машин.....................................................187
Глава V. Оборудование термических цехов	. 191
Печи.........................................................191
Агрегаты для химико-термической обработки....................196
Ванны........................................................203
Печи с радиационным нагревом.................................210
Печи для термической обработки штамповок.....................213
Рекомендации по выбору печей.................................216
Маслоохладительные установки .	...................218
Закалочные прессы............................................219
Глава VI. Контроль, автоматизация управления процессами, организация и экономика производства ...	... 222
Автоматизация управления процессами ........................ 224
Организация и экономика производства в термических цехах .	. 227
Глава VII. Перспективные направления в технологии термической и химико-термической обработки.....................................243
Глава VIII. Основы проектирования термических цехов	247
Литература.	. 260
Александр Денисович А с с о н о в
ТЕХНОЛОГИЯ ТЕРМИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКИ ДЕТАЛЕЙ МАШИН
* * ♦
Редактор издательства Н. А. Иванова Технические редакторы
Н. Ф. Демкина, Н. В. Тимофеева
Корректор И. М. Борейша
Переплет художника Е. Н. Волкова
* ♦ ♦
Сдано в производство 11/VII 1969 г. Подписано к печати 9/Х 1969 г. Т-13461	Тираж 16 000 экз.
Печ. л. 16,5	Бум. л. 8,25
Уч.-изд. л. 17 Формат 60 X 90716
Цена 1 р. 10 к.	Заказ 849
* * *
Издательство «Машиностроение», Москва, Б-66, 1-й Басманный пер., 3
♦ * ♦
Экспериментальная типография ВНИИ полиграфии
Комитета по печати при Совете Министров СССР
Москва К-51, Цветной бульвар, 30