Федеральное агентство по образованию
Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования
«ТОМСКИЙ ПОЛИТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ»
УТВЕРЖДАЮ
Зав. кафедрой ММС,
академик РАН
_____________ В.Е. Панин
“____”________2007 г.
Лабораторный практикум
Методические указания по выполнению лабораторных работ по курсу “Термическая и химико-термическая обработка металлов”
для студентов специальности 150501 — Материаловедение в машиностроении
Томск 2007
УДК 629
Лабораторный практикум: Метод. указ. по выполнению лаб. работ по курсу “Термическая и химико-термическая обработка металлов” для студентов специальности 150501 — Материаловедение в машиностроении
— Томск: Изд. ТПУ, 2007. - 35 с.
Составитель канд. техн. наук Е.В.Беликов
Рецензент к.ф.-м.н., доцент Б.С. Зенин
Методические указания рассмотрены и рекомендованы к изданию методическим семинаром кафедры ММС “___”________2007г.
Зав. кафедрой
академик РАН ______________ В. Е. Панин
©Томский политехнический университет
Лабораторная работа №1
Изучение макроструктуры деформированных сплавов
1. Цель работы
1.1. Изучение последствий обработки металлов давлением путем изучения макроструктуры деформированных сплавов. Уметь отличить деформированные структуры от литых структур разных сплавов.
1.2. Приобретение опыта проведения эксперимента и опыта подготовки образцов с макроструктурой к изучению.
2. Общая часть
Деформация металлов в холодном и горячем состоянии вызывает глубокие изменения в структуре последних и оказывает заметное влияние на физические, химические и механические свойства сплавов.
Наряду с формированием текстуры деформации (металлографической и кристаллографической) обработка давлением предопределяет «волокнистую» структуру сплавов, что имеет большое практическое значение.
2.1. Элементы структуры деформируемых сплавов
Неметаллические включения в стали (сульфиды, оксиды, шлаки), а также неоднородные по составу участки (ликвации) при обработке давлением частично дробятся, вытягиваются в направлении главных деформаций, образуя характерную продольную волокнистость или первичную полосчатость. Кроме того, в некоторых сталях в процессе вторичной кристаллизации вторичная фаза (феррит, карбиды) склонна кристаллизоваться вокруг вытянутых неметаллических включений, образуя так называемую вторичную полосчатость. Механические свойства таких сталей значительно различаются, они выше в образцах, вырезанных вдоль направления волокон и меньше в образцах с перпендикулярным направлением волокон.
При обработке таких сталей резанием волокна могут быть перерезаны, вследствие чего ударная вязкость оказывается пониженной и даже недостаточной для данного материала. Поэтому для деталей, работающих при высоких удельных нагрузках (особенно динамических) необходимо, чтобы волокна не перерезались, а распределялись по контуру детали или в направлении максимальных усилий. Примерами таких деталей могут быть коленчатые валы, клапаны двигателей внутреннего сгорания, зубчатые колёса, молотовые штампы, матрицы и пуансоны для холодной деформации металлов и другие. Такое предпочтительное волокнистое строение может быть достигнуто правильным выбором технологии ковки или штамповки. Для каждого вида стали разработана шкала карбидной неоднородности, которая оценивается баллами и является браковочным признаком при «входном» контроле качества металла, поступающего на машиностроительное предприятие. Сказанное выше, относится только к калиброванному прокату в отожженном состоянии. К горячекатаному металлу в виде поковок, цилиндрических штанг, труб, которые на предприятии будут проходить горячую механическую обработку и отжиг это не относится, так как окончательная структура материала будет формироваться в ходе выполнения горячей механической обработки.
2.2. Выявление макроструктуры сплава и его оценка
Волокнистое строение сплава может быть выявлено различными способами, но наиболее простым способом является травление макрошлифа специальным реактивом. По характеру рисунка травления можно определить не только направление волокон, но и способ изготовления исследуемой детали.
Волокна металла хорошо выявляются травлением специально подготовленного образца в реактиве следующего состава:
HCl = 85гр + H2
SO4
и 53 гр на 1000 см3
воды
При необходимости можно выявить и распределение серы по поверхности макрошлифа. Это достигается путем снятия отпечатка по Бауману на фотобумагу, которая перед этим увлажняется обычной водой.
Другая составляющая макроструктуры: карбиды, непластичные оксиды и другие хрупкие фазы сплава при деформациях (холодной и горячей) разрушаются и образуют полосы хрупких частиц: это так называемая «полосчатость», которая так же характеризует качество сталей и их склонность к разрушению при ударном нагружении. Наблюдается она только в легированных сталях, оценивается по баллам и является браковочным признаком при «входном» контроле металла, поступающего на машиностроительное предприятие.
3.
Порядок выполнения работы
Для выполнения работы необходимы образцы из сталей, подвергнутых горячей или холодной обработке давлением (протяжка, ковка, прокатка). Образец разрезается по выбранному сечению и проходит предварительную механическую обработку с целью получения плоской поверхности. Затем производится обработка шлифовальной шкуркой в двух взаимно перпендикулярных направлениях, т.е. проводят те же операции, как и при приготовлении шлифа за исключением полирования поверхности. Затем поверхность протирается спиртом и погружается на 40-50 секунд в раствор, состав которого определяется маркой стали. После травления образец промывается и просматривается визуально. Отчётливо видимый рисунок травления зарисовывается или фотографируется (макрофотография).
4.Требования к отчету
По окончанию работы составляется письменный отчет, в котором должно быть:
- цель работы и задание;
- краткое описание формирования структуры деформации;
- описание методики проведения работы;
- эскиз исследованной детали (образца);
- рисунок (фотография) полученных фигур травления;
- заключение о качестве металла и способе изготовления детали.
5. Разделы программы, которые необходимо знать при выполнении и сдаче лабораторной работы
1. Главные напряжения и главные деформации.
2. Процессы, происходящие в металлах при деформации.
3. Холодная и горячая деформации.
4. Два вида текстуры деформированного металла.
5. Особенности структуры деформированных металлов.
6. Список литературы
1. Геллер Ю.А., Рахштадт А.Г. Материаловедение. М.: Металлургия.-1975.- с.420
2. Суворов И.К. Обработка металлов давлением. М.: Высшая школа.-1973.-с.460.
3. Гуляев А.П. Металловедение. М.-1978.-с.586.
4. Громов Л.К. Обработка металлов давлением. М.:Металлургия.-1980.-436 с.
Лабораторная работа № 2
Особенности процесса закалки колец подшипников и контроль качества
1. Цель работы
Изучить производственный процесс закалки колец подшипников.
2.Материалы и оборудование
: кольца подшипников 228/01 (наружное), массой 3371 гр., толщиной стенки 13,3 мм, электропечь с конвейерным подом типа К-170.
3. Контроль качества колец общего и специального назначения после закалки и отпуска
Твердость колец после закалки и отпуска должна соответствовать требованиям ГОСТ 520. значения твердости указываются в технологической карте. Контроль твердости осуществляется контролером на твердомере «Роквелл». Кольца для контроля ОТК предъявляет термист цеха. Нормы контроля твердости приведены в таблицах 2 и 3. микроструктура колец должна соответствовать 1-4 баллам шкалы 3 РТМВНИПП 155. величина балла определяется в зависимости от толщины стенки колец и приведена в таблице 1. для колец с толщиной стенки свыше 12 мм. на глубине более 3 мм, допускается наличие участков троостита, соответствующих 8 баллам и выше, по шкале 3. Величина избыточных карбидов не должна превышать 10 баллов по шкале 3. Остатки карбидной сетки в микроструктуре колец не должны превышать 3 балла шкалы 4 ГОСТ 801. Излом колец после нормальной закалки и отпуска должен соответствовать 1-3 баллам шкалы 4. Глубина полного или частичного обезуглероживания после закалки и отпуска на шлифуемых поверхностях определяется при контроле микроструктуры и не должна превышать половины припуска на шлифование. Последующая механическая обработка должна гарантировать отсутствие обезуглероженности на рабочих и монтажных поверхностях. Глубина обезуглероженного слоя на не шлифуемых поверхностях колец после закалки и отпуска с нагревом в защитной атмосфере не должна превышать 0.08 мм. При закалке без защитной атмосферы обезуглероженный слой на не шлифуемых поверхностях допускается до 0.2 мм. контроль на обезуглероживание производится металлографическим методом. Величина максимально допустимого обезуглероженного слоя для колец определяется по диаметру желоба и указывается в ведомости деталей. Кольца для оценки микроструктуры, излома, величины обезуглероженного слоя термист предъявляет в ОТК, нормы контроля предоставляются в таблице 2 и 3. Приготовление шлифов производится контролером на шлифовальном станке согласно РТМ ВНИПП 155. оценка микроструктуры производится с помощью микроскопа, результаты вносятся в журнал ОТК. Кольца после закалки и отпуска проходят проверку на наличие трещин контролером на установке магнито- люминесцентной дефектоскопии согласно ИВНИПП 008. Кольца предъявляет термист цеха. Трещины на кольцах не допускаются. При обнаружении поверхностных дефектов металлургического, термического или механического происхождения в процессе выборочного контроля колец после термической обработки, кольца подвергаются сплошному контролю ОТК цеха, ответственного за пропущенный брак. Грубая окалина на кольца не допускается.
Таблица 1
| Толщина стенки |
Величина балла структуры |
| До 6 мм |
1-4 |
| От 6 до8 мм |
1-6 |
| От 8 до 12 мм |
1-7 |
| Свыше 12 мм |
1-7 |
Таблица 2
Средства и нормы контроля колец подшипников общего назначения,
при их термической обработке
| Диаметр кольца, мм |
Вид контроля |
Нормы контроля после закалки, штук |
Нормы контроля после отпуска, штук |
Средства контроля |
| Ширина торца, 2 мм |
Твердость Микроструктура Поверхностные дефекты |
По 2 ежечасно 2 от партии 20 от партии |
По 2 ежечасно 2 от партии 20 от партии |
«Роквелл» Микроскоп Магнитный дефектоскоп |
| Ширина торца от 2 до 5 мм |
Твердость Микроструктура Излом Поверхностные дефекты |
По 2 ежечасно 2 от партии 2 от партии |
10 от партий 2 от партий 20 от партий |
«Роквелл» Микроскоп Пресс Магнитный дефектоскоп |
| 50-125 Ширина торца более 5 мм |
Твердость Излом Микроструктура Поверхностные дефекты |
2 от партии 2 от партии 2 от партии |
15 от партии 2 от партии 20 от партии |
«Роквелл» Пресс Микроскоп магнитный дефектоскоп |
| 125-250 |
Твердость Излом Микроструктура Поверхностные дефекты овальность |
2 от партии 1 от партии 1 от партии |
2 от партии 1 от партии 10 от партии 3-5% от партии |
«Роквелл» Пресс Микроскоп магнитный дефектоскоп УД-1В, УД-2В, 312 |
| 250-400 |
Твердость Излом Микроструктура Поверхностные дефекты овальность |
2 от партии 1 от партии 1 от партии |
2 от партии 1 от партии 10 от партии 3-5% от партии |
«Роквелл» Пресс Микроскоп магнитный дефектоскоп Прибор 064 |
| 400-600 |
Твердость Микроструктура Поверхностные дефекты овальность |
2 от партии 1 от партии |
5 от партии 1 от партии 5 от партии 3-5% от партии |
«Роквелл» Микроскоп магнитный дефектоскоп Прибор 064 |
4. Экспериментальная часть
Кольца диаметром 228/01 (наружное), массой 3371 гр., толщиной стенки 13,3 мм., загружали в электропечь с конвейерным подом типа К-170 (рис.2). Кольца укладывали на конвейер печи по 2 кольца в ряд, расстояние между кольцами не менее 10 мм. Температура по зонам печи: в 1-ой зоне t=810˚С, во 2-ой зоне t=840˚С, в 3-ей зоне t=810˚С. Печь работает в автоматическом режиме. Время нагрева 55-60 минут, с учетом времени в Самосбрасывание таких колец в механизированный закалочный бак- не допускается. Для закалки кольца вынимаются через «форточку» в торцевой стенке печи стальным крючком и плавно опускаются в «карман» закалочной машины.
Охлаждение колец производится в индустриальном масле И12А, И20А ГОСТ20799 при температуре 30-60˚С, продолжительность 6-7 минут. Масло должно равномерно омывать поверхность изделия и находиться в движении, чтобы разрушать образовавшуюся пленку паров и усиливать теплоотдачу равномерно от всей поверхности. Перемещать кольца нужно так, чтобы не получалось завихрений, вследствие которых возможно образование мягких участков с задней стороны изделия.
Стабилизирующее охлаждение производится в моечной машине типа МКП 10.20 в 0,2-0,8% водного раствора Na2 CO3 при температуре 12-25˚С, продолжительность охлаждения 6-8 минут. Отпуск колец производится на конвейерной печи К-135 . Укладка колец на конвейер по 2 кольца по высоте. Нагрев деталей при t= 165-175˚С в течении 4,5-5 часов. Охлаждение происходит на воздухе.
Результаты охлаждения закаливаемого изделия зависят, во-первых, от скорости отвода теплоты, во-вторых, от способности данной стали закаливаться на большую или меньшую твердость и глубину. Последнее, является свойством самой стали, и зависит от ее состава, исходной структуры, величины зерна и т.д. Поэтому для крупногабаритных изделий стандартом предусмотрена сталь ШХ15СГ с повышенным содержанием марганца (0,9-1,2%) и отчасти кремния, прокаливаемость которой значительно больше чем у стали ШХ15. На современных заводах прокаливаемость сталей, для изготовления крупно габаритных подшипников увеличивают за счет увеличения содержания хрома до 1,7-1,9% и молибдена до 0,25-0,35%.
Главная роль процесса закалки отводится превращению аустенита в мартенсит. Данный вид метаморфоз протекает без изменения концентрации твердого раствора и в отличие от перлитного и игольчато-трооститного превращений является бездифузионным. Механизм мартенситного превращения состоит в закономерной перестройке решетки, при которой соседние атомы смещаются относительно друг друга на малые расстояния, составляющие доли межатомных расстояний. Образующаяся при этом фаза имеет новую решетку, закономерно ориентированную относительно старой. Превращение начинается при температуре вполне определенной для аустенита данного состава. Эта температура называется мартенситной точкой. Результаты закалки зависят от температуры и от скорости охлаждения в интервале мартенситного превращения (20-60˚С).
Твердость после закалки, согласно документации, должна составлять 64НRC, в нашем случае 63HRC, после отпуска 60HRC, в нашем случае 62HRC.
В целях увеличения равномерности и скорости охлаждения, а так же снижения закалочных деформаций, практика применяет «закалочные машины». Это приспособления, задающие деталям вращательные движения в процессе охлаждения, что способствует повышению качества закаляемых изделий. Наиболее хорошие результаты получаются при использовании «валковых» закалочных устройств.
В подшипниковой промышленности широкое распространение получили 2-х валковые установки.
По ходу работы требовалось определить фактическое потребление тепловой мощности и ее КПД.
Определим потребляемую мощность печи
| 1-я зона |
2-я зона |
3-я зона |
|
| T,˚C |
800-810 |
840 |
810 |
| I, A |
70 |
60 |
97 |
| Раб.- τ, мин. |
8 7 звездочка |
||
| Нераб.-τ,мин. |
|||
| соединение |
|||
Определим напряжение в каждой из зон:
U1=380/167=2,27 U2=380/117=3,24 U3=380/107=3,5
Потребляемая мощность печи:
1-я зона: N1= (3^1/2)*I1*U1 = 1,732*70*2,27 = 275,2 Вт
2-я зона: N2= (3^1/2)*I2*U2 = 1,732*60*3,24 = 336,7 Вт
3-я зона: N3= (3^1/2)*I3*U3 = 1,732*97*3,5 = 588 Вт
Фактическая потребляемая мощность
1-я зона 2-я зона
Полное время 15 мин – 100%
Рабочее время 8 мин – Х
Х – 53.3%
N - 146,6 Вт 179,46 Вт
Количество эл.энергии:
τ= 55-60 мин
R = 400 Oм
3-я зона: Q = 0.24*I^2*R*τ = 0.24*97^2*400*1 = 903.2 ккал
Определим производительность печи по металлу:
Мкольца
= 3.371 кг
Кладка: 2*52 = 104 кольца
Р = (m*n)/τ = (3.371*104)/1 = 350 кг/ч
Выводы: в ходе лабораторной работы мы изучили производственный процесс закалки колец подшипников в электропечи с конвейерным подом типа К- 170 и измерили твердость закаленной детали – 63HRC.
Лабораторная работа №3
Светлая закалка деталей подшипников на закалочно-отпускном агрегате
Цель работы:
Изучить особенности техники и технологии термической обработки деталей при использовании защитных эндогазовых атмосфер в условиях промышленного производства.
Общие положения технологии термической обработки хромистых сталей
Малолегированные хромистые стали при нагреве не защищены от газовой коррозии под влиянием высоких температур. Образующаяся окалина на поверхности деталей является помехой для дальнейших операций обработки деталей, что в конечном итоге приводит к удорожанию выпускаемой продукции. Оптимальным вариантом решения этой проблемы является заполнение рабочего пространства нагревательных печей защитным газом определенного состава – эндогазовой защитной атмосферой. При условии, что эта атмосфера обладает определенным углеродным потенциалом и состав ее не меняется во времени, окислы на поверхности нагревательных деталей образовываться не будут. Это дает возможность снизить припуски на механическую обработку деталей, что существенно понизит стоимость обработки и себестоимость изделия в целом. Защитные атмосферы в условиях производства готовят с специальных генераторах из углеводородных газов путем их неполного сжигания в смеси с воздухом. Реакции горения газа в таких условиях могут протекать только при дополнительном подогреве реакционного пространства (реторты) электрическими нагревателями до температур 11000
С.
Нагревательное оборудование для термической обработки имеет большую установочную мощность, что диктуется многими промышленными факторами. Такими как экономия производственных площадей, снижением потерь энергии, сокращением машинного времени процессов нагрева. Однако, увеличение удельной мощности оборудования нагрева соглашается с возможностями установки длинных нагревателей на ограниченных площадях стенок печей (не хватает места). По закону Ома сила тока (I,А), напряжение питания нагревателя (U,В) и омическое сопротивление нагревателя (R,Ом) связаны известной зависимостью U=IR и её производными. Кроме того существуют критерии материала нагревателей, задающих предельную удельную нагрузку на 1 мм2
поверхности нагревателя (ρуд
Ватт). Таким образом, ток в нагревателе должен быть ограничен его омическим сопротивлением. Отдаваемая тепловая мощность нагревателя описывается формулой:
Q=0,24 I2
Rt (Ватт) или Q=0,96 I2
Rt (Дж), из которой ясно, что тепловая мощность определяется силой тока (А) в нагревателе.
Из физики известно, что сила тока и напряжения увязаны законами мощности электрической цепи: Nц
=IUК, где К –коэффициент учитывающий схему соединения элементов электрической цепи (треугольник, звезда, последовательное). Кроме того существуют законы трансформации напряжения и для этого используют трансформаторы с помощью которых можно изменять напряжение цепи, питающих нагреватели термических печей. Таким образом, в мощных электропечах удается оптимизировать все технические параметры и получить максимальную тепловую мощность. Но для этого нужно чтобы нагреватели печи питались пониженным напряжением от печных трансформаторов. Такие печи называют печами косвенного включения в промышленные электрические линии электропитания.
В настоящей работе печные трансформаторы установлены для питания мощной электропечи ОКБ-134 с установочной мощностью 150 кВт. Мощность распределена по зонам печи 70 кВт- I зона; 5-кВт – II зона; 30 кВт – Ш зона. Напряжение питания на нагревателях – пониженное и составляет соответственно: 167 В- I зона; 117 В - I зона; 107 В - Ш зона. Можно вычислить и рабочие токи на нагревателях по формулам мощности электрической цепи и это входит в задачу данной работы. Следует отметить, что печные трансформаторы увеличивают расход электроэнергии, так как коэффициент полезного действия их составляет 0,70…0,75, но без них печи таких больших удельных мощностей создать пока не удается.
Химический состав эндогазовых атмосфер контролируется специальными газоанализаторами и обычно содержат: 22-24%СО; 20-24%Н2
; 0,5-0,7% СО2
; 0,3-0,5% Н2
О и остальное N2
. Такой газ должен непрерывно заполнять печное пространство и создавать там некоторое положительное давление, что бы избежать проникновение воздуха в это же рабочее пространство. Это ведет к большому расходу газа в м3
/час и к непрерывному его воспроизводству. На выходе из печи газ должен сгорать полностью и продукты сгорания не должны содержать ядовитых компонентов. В условиях промышленного производства для выработки эндогаза является метан СН4
или природный газ с небольшими примесями других углеводородов.
Выполнение лабораторной работы:
Работа выполняется в условиях действующего промышленного участка термической обработки предприятия АО «Ролтом». В ходе работы студенты должны выполнить следующий объем измерений и расчетов.
1. Составить эскизный чертеж автоматической закалочной печи с пульсирующим подом.
2. Составить схему эндогазового генератора и замерить его параметры работы:
- температуру в зоне горения газов;
- количество подаваемого газа и воздуха в единицу времени.
3. Потребляемую электрическую мощность газогенератора ЭН-60.
4. Расход защитного газа в печи нагрева под закалку.
5. Замерить и рассчитать технические параметры технологии термической обработки, а именно: установочную мощность печи, потребляемую мощность кВт, удельный расход электроэнергии закалочного агрегата, технологические параметры закалки, а так же способы и методы текущего контроля качества термообработки, согласно технологической карты.
Требования к составлению отчета
В отчете должны быть приведены схемы и эскизы основного и дополнительного оборудования (схема эндогенератора, эскиз закалочной печи), приведены расчеты параметров процесса производства эндогаза и параметров процесса закалки.
Необходимо сделать выводы о практической целесообразности применения защитных атмосфер в условиях производства.
Отчет защищается индивидуально, по результатам защиты выставляется оценка, влияющая на экзаменационную оценку по курсу «Термическая и химико-термическая обработка металлов и сплавов».
Контрольные вопросы
1. Чем отличаются эндогазовые и экзогазовые атмосферы и где они должны применяться?
2. Что называют углеродным потенциалом атмосферы?
3. Как можно рассчитать коэффициент полезного действия электрической печи типа ОКБ-134?
4. Какие требования предъявляются к закаленным деталям шарикоподшипников?
5. Что Вы можете сказать о температурном интервале мартенситного превращения шарикоподшипниковых сталей.
6. Что дает для практики нагрев деталей в защитном газе?
Литература
1. Гуляев А.П. Термическая обработка стали. М.-1960
2. Раузин Я.Р. Термическая обработка хромистых сталей. М.: Машиностроение .- 1978.-342с.
3. Гуляев А.П. Металловедение. 1986.-646с.
Лабораторная работа №4
Изучение процесса газовой цементации на автоматизированном агрегате термической обработке фирмы «
Eichelen
»
Цель работы:
Изучить технику и технологию процесса газовой цементации промышленного агрегата, работающего на газовом топливе и газовом карбюризаторе, который вырабатывается из природного газа метана.
Краткие сведения о газовой цементации на промышленном оборудовании
Агрегат «Eichelen» работает на природном газе СН4
как источнике тепловой энергии от сжигания метана в радиантных трубчатых нагревателях. Количество газа и воздуха при этом строго контролируется с помощью ротаметров, которые установлены на боковых панелях оборудования. Сам активный процесс насыщения поверхности деталей углеродом – цементация, протекает в специальной реакционной камере, которая входит в состав агрегата. Тип агрегата – толкательный, т.е. детали на специальных поддонах проталкиваются по технологическому пространству через определенные промежутки времени (20…40 минут). Темп толкания устанавливается технологом при составлении программы процесса. Работой агрегата управляет микропроцессор, основные команды которого высвечиваются на специальной схеме агрегата. Полное техническое название агрегата «Eichelen» - Цементационно-закалочно-отпускной агрегат замкнутого цикла с программным управлением. В составе агрегата, помимо цементационной камеры, имеется электрическая проходная печь, где производится «подстуживание» изделий, выравнивание их температуры до заданного технологией уровня и последующей закалки в масляном баке с вертикальным лифтом. Работой всего комплекса устройств управляет все тот же микропроцессор по программе разработанной технологом-термистом. Так как линейное расположение агрегата с инженерной точки зрения невыгодно, оборудование агрегата размещают в виде буквы «П», что экономит, и площади цеха и делает удобным обслуживание агрегата, так как в этом случае и загрузка и выгрузка деталей по окончании процесса производятся с одной стороны и хорошо контролируется оператором. Установка приготовления газового карбюризатора «Карбмаш» представляет собой отдельный функциональный блок, где протекают реакции неполного сжигания метана и с образованием эндотермического газа с определенным углеродным потенциалом. Величина этого потенциала определяется составом стали из которой изготовлены подлежащие цементации изделия. Это самый важный блок всего агрегата, так как при выработке «бедного» газового карбюризатора процесс насыщения углеродом поверхности будет невозможен. Данные о химическом составе газового карбюризатора так же поступают в компьютер агрегата и высвечиваются на приборной панели щита управления. Величину углеродной потенциала карбюризатора можно изменять по ходу процесса и это может делать оператор по своему усмотрению, основываясь на показаниях приборов технологического контроля.
Выполнение лабораторной работы
Работа начинается с изучения устройства «Eichelen» и составления его схемы, аналогично той, что имеется на контрольных панелях.
Затем в один из поддонов с деталями студенты устанавливают заготовленные на кафедре образцы из цементуемых сталей (сталь 20, 15, 08 КП, 10 КП и др.). На боковую стенку поддона крепят пластинку – метку с выбитым номером, чтобы заметить поддон после его выгрузки.
По окончании процесса отмечают время входа поддона в первую камеру агрегата и рассчитывают время процесса.
По приборам теплового и газового контроля составляют рабочую технологию, по которой будет обрабатываться образец или образцы (не менее 3-х), если все 3 студенческие подгруппы воспользуются одним поддоном.
Так как агрегат вмещает 48 поддонов от входа до выхода то полное время процесса будет около 24 часов. По истечении этого времени образцы будут зацементированы, закалены, отпущены, промыты и высушены в специальной сушильной печи. Их можно будет получить у технолога цеха через сутки.
Полученные образцы должны быть исследованы на соответствующие параметры в лабораториях кафедры (глубина слоя цементации, твердость HRC слоя, структуру закаленного слоя и его переходной зоны).
По всем полученным результатам составляется отчет.
Требования к составлению отчета
В отчете следует отразить назначение агрегата.
1. Виды деталей, которые проходят обработку по заводской маршрутной технологии (стволы, шестерни).
2. Привести схему агрегата и описать работу его отдельных узлов и блоков.
3. Привести все технологические параметры (t0
, углеродный потенциал.)
4. Указать время перемещения деталей по технологическим блокам и камерам агрегата. Рассчитать и проверить по приборам учета расхода газа (Нм3
/час агрегатом в целом, указать расход эл.энергии электропечи агрегата и определить ее кпд).
5. Привести данные по результатам цементации образца. Приложить к отчету или копию цифровой фотографии структуры или её рисунок в карандаше.
Указать Ф.И.О. исполнителей работы и проставить дату и свои подписи на последней странице.
Контрольные вопросы
1. Назначение цементации в технике.
2. Требования к составу и свойствам газового карбюризатора.
3. Каким образом контролируется состав газового карбюризатора на агрегате «Eichelen».
4. Указать недостатки и достоинства непрерывных процессов химико-термической обработки.
5. Какие конкурентно-способные варианты можно предложить при проектировании конкретных технологий?
Лабораторная работа №5
Термическая обработка углеродистых и малолегированных
хромистых сталей
Цель работы:
Изучить технологию и проследить изменение свойств углеродистых и малолегированных сталей при термической обработке.
1. Общие положения теории термической обработки сталей разного назначения
Наиболее распространенной упрочняющей операцией термической обработки углеродистых сталей является закалка. В зависимости от содержания углерода в стали, температура нагрева под закалку меняется по правилу:
tзак
=АС3
+(30¸500
С),
где АС3
-температуры лежащие на линии АС3
диаграммы Fe-Fe3
(железо-цементит) для доэвтектоидных сталей и tзак
=АС1
+(30¸500
С), для заэвтектоидных сталей. Практически, с учетом того что стали с содержанием углерода менее 0,3% С не закаливаются, практически это будут температуры »850-8700
С.
Для заэвтектоидных сталей температура нагрева под закалку находится в пределах 780-8000
С. Эти пределы температур нагрева под закалку используются на практике в промышленных технологиях термической обработки углеродистых сталей. С точки зрения металлографии при этих температурах сталь переходит в аустенитное состояние, что соответствует понятию аустенизация стали. Что касается заэвтектоидных сталей, то их температура и структура будет состоять из аустенита А и вторичного цементита ЦII
. Нагрев до температур более высоких, до полного растворения ЦII
(практически это будут температуры 860-8800
С), практика считает нецелесообразным. При этом образуется крупнозернистая структура аустенита, а при закалке твердость снижается, т.к. растворяется наиболее твердая (более 70 HRC) составляющая структуры – цементит Fe3
C. Сталь с такой структурой считается «перегретой» и у нее наблюдается повышенная хрупкость и детали из такой стали склонны к хрупкому разрушению.
2. Выбор способа охлаждения и среды охлаждения для закалки
Выбор среды охлаждения при закалке имеет большое практическое значение, так как прямо и косвенно влияет на качество изделия и его работоспособность, а также предопределяет возможность образования дефектов закалки (коробление, трещины, хрупкость). Следует учесть и тот факт, что практика ограничена в выборе сред охлаждения при закалке; это могут быть вода и минеральные масла технического назначения.
Из лекционного курса известно, что практика применяет охлаждающие среды на водной основе и растворы солей и щелочей разной концентрации. Это делается с целью получить равномерное охлаждение поверхностей детали, чтобы избежать появления «мягких» пятен, т.е. участков поверхности изделий, где твердость будет меньше, чем допустимая по техническим условиям эксплуатации данной детали, такая деталь не может быть признана годной и подлежит повторной термической обработке (перезакалке).
3. Виды и свойства закалочных сред
В технике применяют два основных вида закалочных сред: минеральные масла и вода и водные растворы солей, щёлочей и спец.добавок.
Минеральные масла как охлаждающие среды широко применяются в практике термической обработки малолегированных и легированных сталей.
Для закалки простых углеродистых сталей применение масел - ограничено из-за невозможности получать высокую твердость с поверхности или в объеме закаливаемых изделий. Указанные среды (масла и водные растворы) имеют неодинаковые параметры и основные физические характеристики такие как температура кипения, температура воспламенения, вязкость и жидкоподвижность при одинаковых температурах. Кроме того эти свойства неодинаково меняются при нагреве до температур кипения. В практике термообработки высоколегированных сталей широко используют и «горячие» среды. Это расплавы солей и щелочей или расплавы металлов. Такая закалка называется изотермической. В связи с решающим влиянием свойств охлаждающей среды на качество закалки, а также по соображениям снижения опасности трещинообразования и образования «мягких» пятен практика тщательно выбирает среды охлаждения в каждом конкретном случае.
4. Выбор среды охлаждения и критическая скорость охлаждения
Основой такого выбора является критическая скорость охлаждения, которая должна быть достигнута в ходе закалочного охлаждения. В противном случае деталь не получит необходимой твердости и мартенситовой структуры, т.е. не закалится. Критическая скорость охлаждения - эта та минимальная скорость отвода тепла (0
С/сек) с поверхности детали, которая обеспечит формирование мартенситовой структуры в объеме детали и дает максимальную для этой стали твердость (HRC). Критическая скорость охлаждения является функцией химического состава стали: у простых углеродистых сталей она составляет сотни градусов в секунду, а у легированных сталей она будет десятки градусов в секунду. Кроме того, следует знать, что это понятие (критическая скорость охлаждения) связана с уровнем температуры детали и сильно меняется по мере снижения температуры охлаждаемой детали. Исходя из этого, следует выбирать среду охлаждения данной марки стали, иначе может случиться, что закалка данной детали в случайно выбранной среде охлаждения будет невозможна теоретически. Многолетний практический опыт предлагает выбирать воду и водные растворы солей для углеродистых сталей, а для легированных сталей выбирают технические масла. Более подробная информация по этой теме содержится в специальной и учебной литературе.
5. Порядок выполнения лабораторной работы
Подгруппа делится на несколько звеньев (3-4 человека). Каждое звено получает у преподавателя образцы из разных марок сталей (углеродистых и малолегированных). Образцы имеют плоские или плоскопараллельные поверхности для удобства измерения твердости на твердомере.
Для выполнения лабораторной работы используются электрические печи лабораторного типа СНОЛ, нагретые до различных температур.
Студенты каждого звена самостоятельно выбирают и устанавливают температуру для каждой марки стали, используя справочный материал и специальную литературу.
После прогрева печи в нее загружают образцы и отмечают время. Время нагрева образцов так же выбирается на основе литературных рекомендаций и данных практики.
По окончании времени нагрева образцы вынимают щипцами из печи и закаливают в выбранной закалочной среде (масло, вода, керосин).
После охлаждения и промывки образцы готовят к измерению твердости. Подготовка состоит в зачистке от окалины поверхностей образца с помощью абразивных материалов (абразивная бумага).
Соблюдая рекомендации преподавателя, производят измерение твердости; записывают полученные результаты и сравнивают их со справочными данными.
Затем готовят на одной из поверхностей шлиф для просмотра полученной структуры под микроскопом. Структуру стали при рекомендованном увеличении зарисовывают или фотографируют с помощью спецтехники для просмотра на мониторах компьютера.
6. Результаты и выводы по лабораторной
По результатам лабораторной работы составляют отчет. Основное требование к отчету – полнота и логичность производимых расчетов и выводов. Каждое математическое действие должно быть логически обосновано; при составлении зависимостей необходимо учитывать размерность величин и их совместимость в каждом конкретном случае. При необходимости должны быть правильно выполнены операции перевода одних величин в другие с указанием переводных коэффициентов. Главным образом это относится к величинам давления и тепловым единицам и единицам измерения твердости металлов.
При оформлении отчета следует руководствоваться требованиями СТП ТПУ 2.5.01-99.
В отчете по пунктам настоящих методических указаний составляют отчет, где особо подробно описывают методику выполнения лабораторной работы и обработку полученных опытных данных.
7. Выводы по работе
Указать название полученной структуры закалки и условия её получения, гарантирующие максимальную твердость после закалки. Указать последствия «недогрева» и «перегрева» при закалке с точки зрения практики. Указать последствия ошибочного выбора среды охлаждения при закалке.
8. Литература
1. Конспект лекций по спецкурсу.
2. Комплект технической документации к установке.
3. Раузин Я.Р. Термическая обработка хромистых сталей. М.: Машиностроение.- 1978.-342с.
4. Гуляев А.П. Термическая обработка стали. М.-1978.
5. Лахтин Ю.М., Леонтьева В.П. Термическая обработка стали. Справочник. 1980.-Т.1
6. Шмыков А.Н. «Справочник термиста». М.: Машиностроение .- 1981.
Лабораторная работа № 6
Неразрушающий контроль качества термической обработки шариков с помощью прибора АТШ ВС-26 ПСт-ПЕ
1. ЦЕЛЬ РАБОТЫ
Изучить устройство и принцип действия прибора. Разбраковать опытную партию деталей — шарики 29/32 в условиях производственного отделения термической обработки деталей подшипников в АО “Ролтом” г. Томска.
2. ПОСТАНОВКА ЗАДАЧИ
В условиях массового производства очень важное значение имеет постоянный контроль качества продукции и особенно при термической обработке. Термическая обработка в условиях подшипникостроения занимает особое место, так как она определяет и качество продукции и экономичность последующих операций обработки деталей подшипников.
Массовый и постоянный контроль обычно ведется с разрушением деталей подшипников через каждые 30 минут. При непрерывной работе агрегатов термообработки это приводит к значительным потерям продукции на излом при контроле. Кроме того, разрушение деталей является трудоемкой и опасной операцией технологического процесса.
При этой причине контроль “по излому” ведется нерегулярно и часты случаи “просачивания” деталей с отклонениями по качеству в дальнейший технологический поток и даже в готовые шарикоподшипники. Поэтому применение неразрушающих и безопасных методов контроля выгодно со всех точек зрения и в смысле качества, и в смысле безопасной работы.
3. ПРИНЦИП ДЕЙСТВИЯ ПРИБОРА НЕРАЗРУШАЮЩЕГО КОНТРОЛЯ КАЧЕСТВА ТЕРМИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКИ ШАРОВ АТШ
Прибор АТШ-ВС-26 Пст - ПЕ построен по блочной схеме и относится к классу приборов электромагнитного принципа контроля изделий из магнитных материалов. Кроме того, он может быть переналажен для контроля и других, но обязательно металлических материалов.
В лабораторной работе используется модель ПСТ-ПЕ, рассчитанная на контроль шариков размером от 21 до 38 мм диаметром. Этот прибор может быть использован как для структурного контроля качества термической обработки шариков по ходу процесса термообработки так и для разбраковывания партий деталей, где имеются шарики с недостаточной твердостью или из других марок сталей.
Прибор работает по всем другим сплавам при условии, что имеется корреляционная связь между показаниями прибора и физико-механическими свойствами сплава, структурой сплава и его химическим составом.
Идея заложенная в измерительный принцип прибора в случае контроля структурного состояния сталей типа ШХ15 состоит в том, что изделие (шарик) как бы является сердечником индуктивной катушки ее регулируемым и настраиваемым контуром. При условии постоянства всех электрических параметров системы, показания результирующего прибора будут зависеть только от структурного состояния контролируемой детали.
Предварительной градуировкой устанавливаются пределы показаний прибора, соответствующие годным деталям, качество которых подтверждено другими способами контроля (разрушающими).
Периодически оператор контролирует показания прибора по эталонному изделию для которого известны пределы показаний по измерительной шкале прибора.
4. КОНСТРУКЦИЯ ПРИБОРА АТШ ВС-26 ПСт-ПЕ И ЕГО ТЕХНИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ
Конструктивно прибор состоит из блоков, каждый из которых имеет разъемы для подключения к соответствующим элементам схемы, что повышает его ремонтопригодность и удобство при техническом обслуживании.
Основными блоками прибора являются:
1. Измерительная катушка(четыре типоразмера).
2. Блок преобразователя.
3. Блок обработки сигнала.
4. Блок питания от сети переменного тока.
Четыре типоразмера катушек рассчитаны при переналадках на контроль шариков следующих размеров 15/16”; 11/8”; 29/32”;7/8”; 13/16” и соответственно в метрических единицах: 38,3 мм; 23,8 мм; 22,9 мм; 21,3 мм.
5. ПОДГОТОВКА ПРИБОРА К РАБОТЕ
Подготовка прибора к работе сводится к сборке схемы, настройке прибора на выбранный диаметр шариков путем коррекции его показаний по эталонному образцу (шарику соответствующего диаметра с заведомо хорошими характеристиками).
После включения прибора в сеть 220 в имеет место “плавание” параметров из-за изменения температуры его отдельных узлов, критичных к тепловому режиму, поэтому точные измерения гарантируются по истечении времени “прогрева” прибора около 30 минут.
Переналадка прибора на другой типоразмер несложно и занимает 2-3 минуты. Время контроля одной детали (шариков) занимает всего 5 сек.
6. ОСОБЕННОСТИ И ТЕХНИЧЕСКИЕ ВОЗМОЖНОСТИ ПРИБОРА АТШ-ВС-26 ПСт-ПЕ
Прибор может быть использован и при контроле качества окончательно обработанных деталей перед сборкой деталей в изделие.
Верхний предел шкалы показаний прибора зависит от факторов не связанных с термообработкой, а связанных с прокаливаемостью (химический состав стали),зернистостью карбидной фазой, количеством остаточного аустенита. Поэтому оператор имеет право подтверждения качества детали, если показания прибора вызовут у него подозрения на несоответствие качества термической обработки детали. Часто такое явление наблюдается при попадании в поток производства деталей из других марок сталей.
При наличии в детали механических дефектов (трещин, заштамповки, риски) прибор также меняет показания, что выражается в смещении границ показаний по шкале, что позволяет судить о наличии дефектов.
7. ВЫПОЛНЕНИЕ РАБОТЫ
После изучения схемы прибора и его конструкции и краткого инструктажа по технике безопасности группа приступает к выполнению работы, состоящей из 3-х частей.
Подготовленная партия деталей, среди которых имеются бракованные детали, подвергается разбраковке по несоответствию структуры и твердости. Затем выполняются работы по определению твердости шариков, непосредственно после закалки из роторной печи типа В-70; и, наконец, студенты наблюдают реакцию прибора при контроле деталей с дефектами или деталями из другой марки стали.
8. СОСТАВЛЕНИЕ ОТЧЕТА
По завершении работы составляется отчет по форме, рекомендованной преподавателем или инициативной форме студента, при условии, что отчеты будут равноценны по объему и глубине проработки материала.
Основными моментами отчета должны быть: постановка задачи лабораторной работы прибора и его возможностях применения в практике; схема прибора (блок схема) и описание его узлов.
9. БЛОК — СХЕМА ПРИБОРА АТШ ВС-26 ПСт-ПЕ
Измерительный Блок Блок
блок преобразован. и индикация и обработки сигнала
сигнала
Источник питания прибора
Лабораторная работа №7
Особенности процесса охлаждения массивных изделий и его влияния на структуру закалённых деталей
Цель работы:
Изучить особенности процесса охлаждения массивных изделий при закалке и оценить их влияние на стабилизацию аустенита.
Основные положения теории и практики мартенситного превращения в малолегированных хромистых сталях при закалке
Общее представление о процессах распада аустенита даёт С-образная диаграмма изотермического превращения аустенита. Согласно диаграмме для любых закаливающихся сталей существует зона максимальной неустойчивости аустенита (600-5000
С) где требуется энергичное охлаждение со скоростью не менее критической. Только в этом случае можно избежать появление стали не мартенситных структур, а структур с пониженной твердостью (троостит, сорбит).
С переходом в зону более низких температур (450-3500
С) аустенит становится устойчивым и его распад по мартенситному механизму требует прогрессивного охлаждения в зону отрицательных температур. Если охлаждение по каким-либо причинам прекращается, то наступает явление «стабилизации» аустенита и эта составляющая структуры закалки сохраняется при комнатных температурах иногда в значительных количествах (20-25%).
Условия подобные описанным, часто наблюдаются в практике закалки массивных изделий, на автоматизированных агрегатах непрерывного действия. Здесь при переносе конвейером деталей из масляного закалочного бака в моечную машину на некоторое время детали не охлаждаются, имея температуру около 150-1800
С. Для хромистых сталей – это интервал температур мартенситного превращения, где «остановка» охлаждения нежелательна, так как способствует сохранению в структуре значительных количеств остаточного аустенита. По техническим условиям на изготовление деталей шарикоподшипников содержание остаточного аустенита строго регламентируется. По этой причине в агрегате термической обработки встраивались проходные морозильные камеры, чтобы способствовать максимальному распаду аустенита. В настоящее время такие требования сохраняются только при производстве высокоточных подшипников и для подшипников космического машиностроения, когда детали обрабатываю «холодом» при температурах жидкого азота (-1800
С). Причина такого строгого отношения к остаточному аустениту кроется в его нестабильности, так как с течением времени он превращается в мартенсит с изменением размеров уже окончательно изготовленных деталей, что недопустимо в точном машиностроении. Нормативные документы и технические условия (ТУ) настоятельно рекомендуют ограничивать содержание остаточного аустенита и в подшипниках для метрополитенов и для подвижного пассажирского парка вагонов, где без принятия специальных мер, содержание аустенита может достигать 25-27%, что категорически не допускается. В настоящей работе изучаются технические «задержки» в процессах охлаждения и оцениваются последствия стабилизации аустенита при непрерывной закалке массивных деталей из хромистых сталей.
Сравнение закаливающей способности воды и масла
Основное достоинство масляных охлаждающих сред- это их способность медленно охлаждать в зоне мартенситного превращения при 3000
С.
Основной недостаток – низкая скорость охлаждения в критическом интервале (600-5000
С) температур, где не достигается критическая скорость охлаждения и многие стали не закаливаются. Другие недостатки – термическое разложение при охлаждении детали, осмоление, окисление, «старение», т.е. потеря охлаждающих свойств, дороговизна, пожароопасность, дымы, газы.
Выполнение лабораторной работы
В настоящей лабораторной работе моделируются процессы охлаждения деталей, характерные для производственных условий. А именно массивные образцы после нагрева в печи 8800
С охлаждаются разное время в масляном баке и всякий раз аналитически определяются температуры деталей после их выемки из бака через разные отрезки времени (1,0; 1,2; 1,5; 2,0 мин. и т.д.) после чего аналитически рассчитывается их температура. Затем, детали охлаждают в проточной воде и замеряют твёрдость HRC деталей. По ходу работы замеряют и «горячую» твердость, т.е. твердость HRC до охлаждения в проточной воде. В некоторых случаях (высоколегированные стали) удаётся зафиксировать разницу в твердости «горячих» и «холодных» деталей в 3-5 единиц Роквелла (HRC), что вполне соответствует законам теории закалки. Для мелкозернистых деталей, когда последние успевают охладиться до температур закалочного масла разница в твердости не наблюдается.
При выполнении аналитической части работы студенту рекомендуется самостоятельно ввести систему обозначений фигурирующих в работе физических величин, таких как масса образца, масса охлаждающей воды, начальная температура воды, теплоёмкость воды и стали, начальное и конечное теплосодержание и др. Рекомендуется составить простейшую компьютерную программу и всю аналитическую часть работы выполнить с помощью компьютера.
Работа выполняется в лаборатории кафедры. Используется печь с температурой около 9000
С (870-8900
С).
1. Для работы готовятся образцы – шарики диаметром 52 мм из сталей ШХ15СГ или ШХ15ГВ, или цилиндры l=40-50 мм. Шарики (2 шт.) загружают в печь и нагревают до t=860-8700
С. Это займет время »35 минут.
2. Далее готовят 2 ёмкости для охлаждения: одна ёмкость с маслом (закалочное масло типа И50) другая ёмкость с водой. Количество воды тщательно замеряется или взвешивается (2-3 литра).
3. Образцы после прогрева в печи извлекают по одному и охлаждают вначале в масле заданное время, затем образцы переносятся в ёмкость с водой, где после охлаждения до температуры стабилизации охлаждение прекращается. Окончательная температура воды записывается.
4. По известным зависимостям произвести вычисление температуры образца, т.е. до погружения в ёмкость с водой. Q=M×c×Δt
5. По ходу лабораторной работы, замеряют «горячую» твердость (стали) образцов после охлаждения их в масле, т.е. твердость до переноса в ёмкость с водой. Для чего на образцах, перед началом опыта, делают плоские площадки необходимые для замера твердости на приборе Роквелла.
6. По результатам опыта строится схематический график кривой охлаждения (t0
C-t) температура – время охлаждения, с учетом фактической ступенчатости процесса охлаждения.
Расчетная часть работы
Расчеты необходимо сделать, чтобы узнать какую промежуточную температуру имеют детали при передаче от одного функционального узла агрегата к другому. В работе моделируется технологический процесс закалки, характерный для промышленного варианта технологии непрерывной закалки.
Для расчета необходимо иметь следующие данные:
1. массу и начальную температуру воды в ёмкости (кг, t0
C);
2. массу детали, взятую для оката (кг);
3. теплоёмкость металла и воды из справочника
4. конечную температуру воды после погружения в неё для охлаждения опытной детали - t0
C;
такую же температуру в конце опыта будет иметь и деталь, находящаяся в ёмкости с водой - t0
C.
Имея такие цифровые данные можно вычислить искомую температуру, решая обратную зависимость Q=M×c×Δt, (Дж).
Действительно, если Q – известная величина, М–масса и С–теплоёмкость-справочная величина, то Δt – найдём из зависимости Δt= Q/M×c (0
C).
Найденную величину Δt следует прибавить к конечной температуре tк
, которая была замерена в ходе опыта: tиск.
= tк
+Δt
Остаётся ответить на вопрос в какой части диаграммы С-образных кривых находится эта температура и сделать выводы о возможном её влиянии на стабилизацию аустенита.
Требования к составлению отчета
В отчете должны быть представлены:
1. С-образная диаграмма изотермического распада аустенита (схема).
2. График кинетики мартенситного превращения аустенита (схема).
3. График, поясняющий понятия - критическая скорость охлаждения при закалке.
4. Чётко и грамотно должны быть выполнены тепловые расчеты с получением конечного результата.
5. Даны достаточные пояснения причин стабилизации аустенита при закалке.
6. Описаны и схематически зарисованы «промежуточные» структуры распада аустенита при до критических скоростях охлаждения.
По результатам работы должны быть сделаны четкие выводы. Отчет по лабораторной работе защищается индивидуально с оценкой в баллах аттестационной шкалы (max~200 баллов). При повторных защитах оценка в баллах понижается на 15-20 %.
Выводы по лабораторной работе
1. Какие сечения стальных изделий могут быть закалены насквозь?
2. Как сказываются свойства охлаждающей жидкости на закаливаемость стали?
3. Чем определяется критическая скорость охлаждения при закалке изделий из разных марок стали?
4. Каким образом можно закалить массивные изделия в условиях машиностроительного завода?
Приложение
Таблица
Скорости охлаждения поверхности и центра стальных шаров различных диаметров при закалке их в воде и в масле в интервале температур 900-7000
С
| Диаметр шара, мм |
Скорость охлаждения поверхности шара, 0
|
Диаметр шара, мм |
Скорость охлаждения центра шара, 0
|
||
| закалка в воде |
закалка в масле |
закалка в воде |
закалка в масле |
||
| 12 |
10000 |
350 |
12 |
200 |
80 |
| 25 |
8000 |
250 |
25 |
100 |
40 |
| 112 |
4000 |
150 |
50 |
30 |
15 |
| 187 |
1000 |
50 |
75 |
15 |
10 |
| 287 |
350 |
20 |
|||
Скорость движения закалочной жидкости 0,9 м/сек.
В масле возможна только поверхностная закалка шариков Ø25-30 мм. Шарики Ø12 мм – возможна сквозная закалка.
Литература
1. Раузин Я.Р. Термическая обработка хромистых сталей. М.: Машиностроение .- 1978.-342с.
2. Гуляев А.П. Термическая обработка стали. М.-1978.
3. Лахтин Ю.М., Леонтьева В.П. Термическая обработка стали. Справочник. 1980.-Т.1
4. Шмыков А.Н. «Справочник термиста». М.: Машиностроение .- 1981.
Лабораторная работа № 8
Изучение работы универсального прибора-анализатора сталей
и цветных сплавов и их структурного состояния
Цель работы
1. Изучить принципиальное устройство и принцип работы универсального анализатора структуры и свойств сталей и цветных сплавов.
2. Освоить методику работы с прибором по разбраковыванию деталей из разных марок стали и выявлению структурных особенностей стали после термообработки.
Назначение прибора ПМ641Е и его технические характеристики
Прибор ПМ641Е - переносной компактный анализатор основных технических сплавов (см.рис.1), предназначен для работы в цеховых условиях, на участках складирования металла, участках термообработки и в условиях заводских лабораторий. Условия климатической эксплуатации прибора должны соответствовать его исполнению УХЛ-4.2 ГОСТ 15150-69. Принципиально прибор построен на регистрации термо-эдс, возникающей в местах касания электродами поверхности заготовки или детали. По величине возникающей термо-эдс судят о составе стали или о её структурном состоянии. Используя таррировочные таблицы, составленные на основе многочисленных экспериментальных данных, по величине полученной ЭДС в данном конкретном случае судят или о марке стали (аналоговый метод), или о твердости стали после конкретной операции термической обработки (это аналогово-структурный контроль).
Основное назначение ПМ641Е
- определение марки стали и цветных сплавов
- определение структурно измененных участков в профилях калиброванного проката
- определение качества термической обработки деталей из разных марок стали (по твердости)
Необходимыми условиями точных измерений ПМ641Е являются: настройка по эталону (прилагается);
- хорошая зачистка детали и электродов;
- прибора перед измерениями термо-эдс;
- прогрев до нормы термоэлектрода прибора.
Необходимо помнить, что величина термо-эдс зависит и от сопротивления внутренних цепей прибора (Rвнутр.
), и от сопротивления в местах контакта электродов и детали. Это, так называемое, внешнее сопротивление измерительной цепи (Rвнешн.
). Измеряемый сигнал (mV) сравнительно мал и в приборе ПМ641Е он усиливается с помощью специального усилителя (рис.2) с внутренней стабилизацией сигнала.
В современной технике используются несколько модификаций прибора ПМ641Е, которые можно условно разделить на 2 группы: а) с внутренним источником электропитания (аккумуляторная батарея); б) с подключением к сети переменного тока 220В и следовательно, прибор не может работать в полевых условиях, что сужает область его практического применения.
Физические основы работы прибора ПМ641Е
В основу работы ПМ641Е положен термоэлектрический эффект, возникающей при контакте пары электродов из разных металлов и выражающийся в формировании потенциала в несколько десятков милливольт. Величина потенциала (МВ) определяется природой металлов, составляющих электродную пару, температурой одного из электродов, природой исследуемого материала.
В рассматриваемой модели прибора ПМ641Е, использованы самые передовые достижения в области термоэлектричества и микроэлектроники. Конструктивно прибор- анализатор ПМ641Е выполнен в виде блока настольного исполнения (см. рис.1). В конструкцию прибора входят цифровой индикатор, усилитель сигнала на микросхеме, переключатель диапазонов измерения цифрового преобразователя, подстроечный потенциометр и ряд других устройств, упрощающих работу с анализатором. Отдельные модели прибора содержат индивидуальные источники питания на аккумуляторе; другие модели приборов (в том числе и ПМ641Е) питаются от сети 220 В.
Работа с прибором и правила техники безопасности
Прибор ПМ641Е питается опасным для жизни человека напряжением (220 В) и это требует общепринятых мер безопасности при работе с бытовыми приборами. Особое внимание должно быть уделено исправности электропроводки, шнура подключения прибора к сети, а так же необходимости заземления корпуса прибора при его активной работе в любом режиме. Основным принципом работы прибора является принцип аналогового сравнения, т.е. сравнения с эталоном. Этот принцип при работе с прибором используется постоянно и при установке рабочей точки прибора, и при тестовых измерениях характеристики исследуемого металла.
Для начала практических измерений и прибор, и исследуемый металл требует подготовки. Исследуемый металл тщательно очищают с поверхности до чистого металла абразивной бумагой или точильным кругом.
В момент измерений необходимо, чтобы температуры эталонного материала и исследуемого металла были одинаковыми (±10
С). После подключения прибора к сети 220 В его заземляют (проверяют надежность заземления), затем включают электропитание и выдерживают 10 минут, чтобы подогреваемый электрод нагрелся до необходимой температуры (t≈700
С).
Перед началом любых измерений нужно выставить нулевые показания на цифровом индикаторе прибора ПМ641Е с помощью резистора «уст 0» на боковой панели прибора. Затем, используя постоянный эталон (закрепленный на стенке прибора), устанавливают показание на цифровом индикаторе М830 равное -0,85 (±0,02), после этого прибор считается готовым к работе.
Выполнение лабораторной работы
Лабораторная работа состоит из трех опытов, охватывающих все функциональные возможности прибора ПМ641Е, а именно:
- определение участков детали с измененной структурой, так называемые «мягкие» пятна возникающие при закалке;
- рассортировка деталей из разных марок стали, даже в одинаковом структурном состоянии;
- определение качества закалки деталей по твердости при массовом способе закалки.
В связи с этим группа студентов (2-3 чел.) готовит 3 разные группы образцов (деталей) по технологии, указанной преподавателем. Например, нормально закаленные детали, детали закаленные с температур отличных от нормы, и, наконец, детали одного вида, но изготовленные из разных марок стали и разными процессами. При подготовке таких образцов (деталей) группа студентов (3-4 человека) записывает все особенности технологии подготовки образцов: температура нагрева (0
С), время нагрева (мин), среда охлаждения, время охлаждения и т.д. Образцы могут быть подготовлены как в лаборатории кафедры, так и на предприятии в дни и часы выполнения лабораторной работы. При этом появляется возможность узнать и химический состав стали, из которой изготовлена деталь, поскольку на предприятии стали, запускаемые в производство, проходят пробы на соответствие химического состава по ГОСТ 801-85.
Дополнительно проверяется твердость HRC, указывается предполагаемая структура. Исследование образцов на те или иные параметры производится с помощью прибора ПМ641Е по рабочей инструкции и руководству прилагаемых к прибору.
Подготовка образцов и прибора к работе
Основные требования: зачистка хотя бы одной поверхности образца до металлического блеска; техническая подготовка прибора (прогрев в течении 10 мин); наличие исправного заземления; калибровка прибора по эталону. В качестве эталона калибровки прибора могут быть использованы стандартные монеты достоинством 5 и 10 руб. из мельхиорового сплава (Ni-Cu) Центрального банка России.
Порядок выполнения измерений
При определении марки стали нужно электродами прибора ПМ641Е коснуться поверхности образца. Записать показания цифрового индикатора. По показаниям индикатора (mV) в таблицах 1-6 найти сталь или сплав, дающий аналогичные показания по прибору ПМ641Е, допустимая погрешность совпадений ±5%. Это и будет ответ на вопрос о марке стали (сплава). При определении качества термообработки (твердости) материала нужно коснуться электродами участка интересующей нас поверхности и записать показания цифрового индикатора прибора. Сравнить показания ПМ641Е с ранее зафиксированными в таблице показаниями индикатора (т.е. найти совпадающие показания с образцом той же марки стали). С очень большой вероятностью (более 95%) качество и параметры свойств образца и детали будут совпадать.
При определении величины участка поверхности, прошедшей термообработку путем перемещения «горячего» электрода по поверхности по показаниям индикатора, определяют границу, где свойства меняются скачком. Это и будет граница участка поверхности с термообработкой и без термообработки. При желании можно определить и твердость участка поверхности и границу переходной зоны. По величине твердости участка можно определить какой именно вид термообработки применялся в данном конкретном случае.
Оформление отчета и требование к отчету
Отчет выполняется по обычной форме, соответствующей требованиям стандарта ТПУ. Особое внимание должно быть уделено описанию принципа действия прибора ПМ641Е и его функциональным возможностям.
Указываются условия для получения точных измерений; наиболее часто выполняемые измерения в условиях производства, а также требования к персоналу, который может быть допущен к работе с данным прибором.
Выводы по лабораторной работе
1. Какие задачи можно решать с помощью ПМ641Е в условиях массового производства.
2. Оценка сложности работы с прибором ПМ641Е.
3. Оценка эффективности применения прибора.
4. Какова достоверность показаний прибора?
5. Другие собственные наблюдения и рекомендации по работе с прибором в условиях производства.
Литература
1. Раузин Я.Р. Термическая обработка хромистых сталей. М.: Машиностроение .- 1978.-342с.
2. Гуляев А.П. Термическая обработка стали. М.-1978.
3. Лахтин Ю.М., Леонтьева В.П. Термическая обработка стали. Справочник. 1980.-Т.1
4. Шмыков А.Н. «Справочник термиста». М.: Машиностроение .- 1981.
Приложение Органы управления
Ремень для переноски
Цифровой индикатор
Переключатель пределов
Образец эталонного металла
Горячий измерительный электрод
Измерительный электрод
Сетевой шнур
Испытуемый металл
Таблица 1
| Сталь марки |
Показания индикатора, х100 |
Сталь марки |
Показания индикатора, х100 |
| СТ3 |
66 |
12ХН3А |
15 |
| 10 |
68 |
30ХГСА |
-6 |
| 20 |
40 |
ШХ15 |
27 |
| 35 |
84 |
ШХ 15СГ |
17 |
| 45 |
41 |
Х12М |
83 |
| 65Г |
34 |
50ХФ |
46 |
| 08КП |
80 |
Х12 |
43 |
| Ф12 |
54 |
16Х |
-44 |
| АС14 |
74 |
3Х13 |
115 |
| 20Х |
52 |
Х13 |
-5 |
| 40Х |
43 |
30ХВА |
84 |
| 40ХФА |
44 |
| Таблица 2 Сталь инструментальная
|
Таблица 3
Магнитные стали |
||||||||||||||||||||||||||||||
| Таблица 4 Теплоустойчивые, жаропрочные, жаростойкие и коррозионностойкие стали
|
Таблица 5 Коррозионностойкие стали
|
Таблица 6
Цветные металлы и сплавы
| Марка металла и сплава |
Показания индикатора, х100 |
| М3 |
-18 |
| ЛС59-1 |
-30 |
| Л63 |
-20 |
| Бр.Б2 |
-6 |
| Бр.Х |
-28 |
| Бр.05Ц5С5 |
-47 |
| Бр.ОФ |
-24 |
| Бр.АЖ9-4 |
-65 |
| Д16Т |
-32 |
| Д16АМ |
-19 |
| МЛ5 |
-48 |
| ВТ1 |
29 |
| ВТ10 |
34 |
| ВК8 |
-155 |
| МНЦ |
-40 |
| МН-19 |
-120 |