Термическая обработка прокатного валка

    Фосфор увеличивает прочность и ухудшает способность стали к вытяжке. Из газов наиболее вредное влияние оказывает азот, который влияет на старение стали и образует неметаллические включения.[5]

 

   Из трёх приведённых сталей наиболее подходящая для изготовления прокатных валков – сталь 38ХА, т.к. лучше остальных пригодна для цементации и является высококачественной. В стали 40Х содержание углерода больше , чем в стали 38ХА , для цементации более подходят стали с меньшим содержанием углерода. Сталь 45 не пригодна для цементации, так как она имеет повышенное количество углерода.

3 Технологические режимы термической обработки

 

3.1Предварительная термическая обработка – высокий отпуск

 

    Отпуск - смягчает действие закалки, уменьшает или снимает остаточные напряжения, повышает вязкость, уменьшает твердость и хрупкость стали. Отпуск производится путем нагрева деталей, закаленных на мартенсит до температуры ниже критической. При этом в зависимости от температуры нагрева могут быть получены состояния мартенсита, троостита или сорбита отпуска. Эти состояния несколько отличаются от соответственных состояний закалки по структуре и свойствам: при закалке цементит (в троостите и сорбите) получается в форме удлиненных пластинок, как в пластинчатом перлите. А при отпуске он получается зернистым, или точечным, как в зернистом перлите. При высоком отпуске(500-650 °) сталь из состояния мартенсита переходит соответственно в состояние троостита или сорбита. Чем выше отпуск, тем меньше твердость отпущенной стали и тем больше ее пластичность и вязкость.При высоком отпуске сталь получает наилучшее сочетание механических свойств, повышение прочность.

    Цементация - процесс термообработки углеродистой стали и легированнойстали, заключающийся в насыщении ее поверхности углеродом. Цементация проводится при температуре до 950 градусов Цельсия. Процесс цементации предполагает формирование на поверхности стали твердого слоя, придающего обрабатываемому изделию свойств закаленной стали. Цементация проводится для увеличения прочности, износостойкости, твердости обрабатываемой поверхности, при этом обработанная сталь не приобретает отрицательных свойств изделий, сделанных целиком из закаленной стали.

    Закалка - это процесс термической обработки, при которой сталь нагревают до оптимальной температуры, выдерживают при этой температуре и затем быстро охлаждают с целью получения неравновесной структуры. В результате закалки повышается прочность и твердость и понижается пластичность конструкционных и инструментальных сталей и сплавов. Качество закалки зависит от температуры и скорости нагрева, времени выдержки и охлаждения. Основными параметрами закалки являются температура нагрева и скорость охлаждения. Основными параметрами закалки являются температура нагрева и скорость охлаждения. 
Температуру нагрева для закалки определяют по положению критических точек Ac1 и Ас3. Доэвтектоидные углеродистые стали при закалке нагревают на 30-50°С выше верхней критической точки Ас3, а заэвтектоидные - на 30-50°С выше точки А_c1.

    Низкий отпуск - характеризуется нагревом в интервале 150-250°С, выдержкой при этой температуре и последующим охлаждением на воздухе. Он выполняется с целью получения структуры мартенсита отпуска и для частичного снятия внутренних напряжений в закаленной стали с целью повышения вязкости без заметного снижения твердости. Низкий отпуск применяют для инструментальных сталей, после цементации и т. д. Так как температура цементации выше температуры закалки, то после цементации производится подстуживание детали до температуры закалки.

Закалку с  подстуживаниемприменяют для уменьшения разницы в температурах металла и закалочной среды, если деталь нагрета до температуры, значительно превышающей температуру закалки данной стали. Нагретую деталь перед погружением в закалочную среду выдерживают (подстуживают) на спокойном воздухе. Этот способ закалки обеспечивает уменьшение внутренних напряжений и предотвращает коробление деталей, особенно деталей, подвергнутых цементации. Рекомендуемая температура закалки стали 38ХА  t = 850C, охлаждение в масле. Скорость охлаждения в масле составляет около 120С/сек.

    Перед  термической обработкой проводят  противофлокенную обработку.

Флокенны - внутренние трещины (дефекты) в стальных поковках и прокатной продукции (иногда в слитках и отливках). Способ борьбы с флокеннами отжиг заготовок или изделий при температуре 650-750°С, продолжительность отжига зависит от их сечения. [3]

    В  качестве предварительной термической  обработки проводят высокий отпуск.

 

Высокий отпуск валков из стали 38ХА проводится при 550С, время нагрева определяется по формуле:

 

_, (1)

где: -время нагрева в мин;

V – объём тела в см;

F – поверхность тела в см;

К – суммарный  физический фактор нагрева в мин/см

  Согласно  чертежа, прокатный валок имеет  размеры :длинна бочки – 180мм,диаметр – 80 мм

Для нагрева легированной в воздухе равенкоэфицент равен 45, W для сплошного цилиндра, нагреваемого со всех сторон вычисляется по формуле:

 

 

                   (2)

 

 

Исходя из формул 1 и 2, скорость нагрева прокатного валка рассчитывается по формуле:

 

 

 

Время выдержки валков при высоком отпуске будет составлять 0,5 от времени нагрева, так как валок изготовлен из легированной стали 38ХА.

 

 

 

Тогда общее  время будет составлять

Охлаждение  после высокого отпуска производится на воздухе.

Скорость  охлаждения на спокойном воздухе  обычно составляет 150—250 °С/ч, у легированных сталей вследствие низкой теплопроводности, скорость охлаждения меньше, чем у углеродистых, поэтому примем скорость охлаждения = 180С

 

 

Общее время  предварительной ТО

 

 

 

3.2Основная  термическая обработка – цементация

 

Режимы окончательной  ТО

По условиям задания твердости поверхности  валка

Наиболее  подходящим будет выбрать поверхностное  упрочнение валка ХТО методом  цементации. 

 

 Необходимая  толщина цементованного слоя h =0.7- 0.9 мм, t=930…950С, скорость цементации V=0.12 мм/час

Время нагрева  рассчитывается по формуле:

 

 

 

Время процесса цементации

 

 

 

Общее время  цементации:

 

 

3.3Окончательная термическая обработка: закалка и низкий отпуск

 

Время охлаждения при закалке:

    Детали под закалку   нагреваются в печи до температуры 850С.[4] Общая длительность нагрева деталей в конвейерных печах t мин с учетом принятых норм загрузки печи может быть оценена по формуле:

 

[1]

 

где а - толщина стенки

D – диаметр изделия(мм)

 

Время выдержки – половина времени нагрева.

 

 

 

_{Время охлаждения при закалке:}

 

 

 

После закалки  производится низкий отпуск при температуре 160С

Нагрев для  отпуска рассчитывается по формуле:

 

 

 

Время выдержки – при низком отпуске будет:

 

 

 

Т.к. сталь 38ХА легированная, то время выдержки увеличивается в два раза

 

 

 

Охлаждение  после высокого отпуска производится на воздухе

Скорость  охлаждения на спокойном воздухе  обычно составляет 150—250 °С/ч, у легированных сталей вследствие низкой теплопроводности, скорость охлаждения меньше чем у углеродистых, поэтому примем скорость охлаждения = 180С

 

 

Общее время  окончательной ТО:

 

4 Выбор оборудования для термической  обработки

 

4.1Шахтные электрические печи для химико-термической обработки

 

Электропечи сопротивления шахтные муфельные  типа СШЦМ(С-нагрев сопротивлением, Ш-шахтная, Ц-среда -цементационная,М – муфельная),

предназначены для цементации, нитроцементации и термообработки различных видов изделий в атмосфере эндогаза с добавкой углеводородного газа и аммиака при нитроцементации.[4]

 

Таблица 10. Технические данные печи СШЦМ-6.6/9

 

Наименование параметра	Значение параметра
Номинальная мощность, кВт	73,2
Номинальная температура, оС	900
Напряжение питающей сети, В	380
Среда в рабочем пространстве	Цементационная Эндогаз, добавка природного газа, аммиак
Масса загрузки, кг	600
Номинальная производительность в установившемся режиме, кг/ч	42,8
Размеры рабочего пространства, мм Диаметр х высота (dхA)	600х600
Габаритные размеры, мм Ширина х длина х высота (BxLxБ)	1485х2130х3075
Масса электропечи (комплекса), т	3,1
Масса электропечи, в том числе  футеровки, т	2,92 0,96

 

Печь может  дополнительно оснащаться следующим  оборудованием:

- эндогенератором;

- установкой приготовления ,контроля и регулирования жидких карбюризаторов(УКРЦАП);

- системой  контроля составом атмосферы  (САРСАП);

- закалочным  баком;

- промывочным  баком;

- печью для  отпуска;

- баком для  ускоренного охлаждения на воздухе  и в газе;

- системой  компьютерного управления.

 

Рисунок 2 – Электропечь шахтная цементационная типа СШЦМ

 

1 – кожух; 2 – футеровка; 3 – нагреватель; 4 – направляющая и муфель ; 5 – крышка; 6 – механизм подъема крышки

 

 

4.2Печь для закалки и низкого  отпуска

 

Для закалки  и отпуска деталей в соответствии с ГОСТ 20155-74 размерами:

- номинальный  диаметр наружного кольца равен: 110 мм.

-номинальная  ширина наружного кольца равна: 22 мм.

-номинальная  толщина наружного кольца равна : 8,5 мм

Берем конвейерный  закалочно-отпускной агрегат для  термической обработки деталей.

 

Рисунок 4– Печь для закалки и низкого отпуска

 

Основные  данные о закалочно-отпускном агрегате.

Режим работы оборудования: круглосуточно, (три смены в сутки), 26 дней в месяц;
Время обработки в закалочной печи	40…100 минут
Плотность размещения изделий на конвейерной  ленте закалочной печи	Не более 118 кг/м²
Температура  предварительной мойки:
для обезжиривания:	60…80ºС
для дефосфатирования:	60…80ºС
Количество остаточного загрязнения  изделий после промывки	Не более 0,3 кг на тонну
Температура в закалочной печи:	800…920ºС
Равномерность температуры в пространстве печи:	±6ºС
Максимальная температура ванны  с маслом:	90ºС
Температура воды в установке промежуточной  мойки:	60…80ºС
Температура в отпускной печи:	380…700ºС
Равномерность температуры в пространстве отпускной печи:	±6ºС
Атмосфера отпускной печи:	Без защитной атмосферы – воздух
Площадь, занимаемая оборудованием:	51м × 2,5 м = 127,5 м2
Необходимая площадь для размещения оборудования:	61м × 6м = 366 м2
Полезная ширина печи	800 мм
Полезная длина внутреннего пространства печи	5 м

 

 

 

 

1.       2.     3.           4.                         5.      6.         7.                   8.9.

 

Рисунок 5 – Схема закалочно-отпускного агрегата для термической обработки