- •Оборудование и автоматизация процессов тепловой обработки материалов и изделий
- •Введение
- •1. Классификация оборудования термических цехов
- •2. Основное оборудование для нагрева материалов и изделий
- •2.1. Индексация печей
- •2.2. Камерные печи
- •2.7. Оборудование для поверхностного нагрева
- •2.8. Механизированные печи, автоматические линии и установки для термической и химико-термической обработки
- •2.9. Огнеупорные и теплоизоляционные материалы
- •2.10. Материалы для нагревателей электрических печей
- •3. Основное оборудование для охлаждения материалов и изделий
- •3.1. Индексация оборудования для охлаждения
- •3.2. Немеханизированные закалочные баки
- •3.3. Механизированные закалочные баки
- •3.4. Закалочные прессы и машины
- •4. Дополнительное оборудование
- •Оборудование для правки
- •Оборудование для очистки
- •Травильные установки
- •Моечные машины, ультразвуковая очистка
- •Дробеструйные аппараты
- •4.3. Оборудование для правки
- •4.4. Оборудование для очистки
- •5. Вспомогательное оборудование
- •5.1. Классификация вспомогательного оборудования
- •5.2. Оборудование для получения контролируемых атмосфер
- •5.3. Средства механизации (подъемно-транспортное оборудование)
- •6. Средства и системы автоматизации технологических процессов термической обработки деталей
- •6.1. Задачи автоматизации
- •6.2. Развитие средств автоматизации
- •6.3. Устройства для измерения температуры
- •6.4. Автоматические управляющие устройства в термических цехах
- •6.5. Управляющие электронно-вычислительные машины в термических цехах
- •7. Проектирование производства технологических процессов термической обработки
- •7.1. Этапы проектирования, основные положения, принципы и задачи проектирования Классификация термических цехов
- •Задачи проектирования
- •Стадии проектирования
- •7.2. Проектно - нормативная документация
- •7.3. Понятие о единой системе технологической подготовки производства
- •2. Выбор и расчет потребного количества оборудования.
- •7.4. Автоматизация проектных работ
- •8. Рекомендации по выбору режимов термической обработки заготовок из сталей различных групп и назначений
- •8.1. Машиностроительные стали
- •8.1.1. Форма и характерные размеры изделий
- •8.1.2. Вид режима предварительной термообработки (отжига)
- •8.1.3. Выбор режима отжига
- •10. Рекомендации к термообработке инструментальных сталей, в том числе и быстрорежущих
- •11. Технология термической обработки деталей машин и инструментов
- •11.1. Общие положения проведения термической обработки
- •11.1.1. Физические основы нагрева и охлаждения стали
- •11.1.2. Характеристика процессов термической обработки стальных деталей и инструментов
- •11.1.3. Закалочные среды
- •11.1.4. Отпуск стальных изделий
- •Низкотемпературная обработка
- •Старение
- •11.1.5. Процессы химико-термической обработки
- •11.1.5.1. Цементация
- •11.1.5.2. Азотирование
- •11.1.5.3. Цианирование
- •11.2. Принципиальные основы определения длительности термической обработки
- •11.2.1. Влияние технологических факторов на режимы
- •Нагрева деталей
- •Нагрев деталей в печи с постоянной температурой
- •11.2.2. Температурные напряжения и допускаемая скорость нагрева
- •11.2.3. Длительность процесса при химико-термической обработке
- •11.3. Расчетное определение параметров нагрева металла в печах
- •11.3.1. Тонкие и массивные тела
- •11.3.2. Расчет времени нагрева и охлаждения в среде с постоянной температурой
- •11.3.3. Расчет нагрева и охлаждения в среде с постоянной температурой по вспомогательным графикам
- •11.3.4. Расчет времени выдержки для выравнивания температуры
- •11.3.5. Определение расчетных сечений для назначения времени выдержки при нагреве и охлаждении в процессе закалки, нормализации и отпуска. Типовые режимы термической обработки поковок
- •11.3.6. Термическая обработка крупных деталей энергоагрегатов
- •11.3.7. Технология термической обработки режущего инструмента
- •11.3.7.1. Стали, применяемые для режущего инструмента
- •11.3.7.2.Предварительная термическая обработка заготовок режущего инструмента
- •11.3.7.3. Закалка инструмента
- •11.3.7.4. Отпуск инструмента
- •11.4. Практические рекомендации при проведении термической обработки
- •11.4.1 Анализ элементов технологии термической обработки
- •11.4.1.1. Элементы технологии термической обработки
- •11.4.1.2. Скорость нагрева
- •11.4.1.3. Длительность нагрева и охлаждения
- •11.4.1.4.Некоторые практические рекомендации по назначению длительности времени выдержки
- •11.4.2. Технологические среды. Назначение и классификация технологических сред
- •11.4.2.1.Факторы, определяющие эффективность сред
- •11.4.2.2. Характер теплообменных процессов
- •11.4.2.3. Регулирование состава и количества среды
- •Приложение №1
- •2. Рекомендации по проведению основной термической обработки
- •3. Технология термической обработки.
- •Оборудование и автоматизация процессов тепловой обработки материалов и изделий
- •2 Часть
- •191186, Санкт-Петербург, ул. Миллионная, 5
11.1.5.3. Цианирование
Цианирование (Цнр) – процесс химико-термической обработки, обусловливающей поверхностное насыщение стали углеродом и азотом одновременно и повышением в этой связи механических свойств и износоустойчивости (табл. 11.35).
Цианирование осуществляется путем нагрева стальных деталей в активных углерод- и азотосодержащих средах максимальной абсорбции и диффузии углерода или азота, выдержки при этой температуре в зависимости от требуемой глубины слоя и последующей закалки или охлаждения на воздухе.
При высоких температурах преобладает насыщение стали углеродом, при низких – азотом.
Таблица 11.35
Износоустойчивость стали, подвергнутой цианированию
-
Марка
стали
Термическая обработка
Средняя потеря в весе при износе за 50 час, мг
Режим
HRC
Круглые образцы
Призматические образцы
У10
12ХНЗА
12ХНЗА
20
З; О
Ц; δ= 0,8…1,0 мм; З;О
Цнр; δ= 0,4…0,5 мм; З;О
Цнр; δ= 0,4…0,5 мм; З;О
61-62
61-63
60-62
60-62
1,65
0,87
0,46
0,37
1,5
0,93
0,4
0,4
Цианирование подразделяют:
– по условиям нагрева на:
– цианирование высокотемпературное – Цнрв-т;
– цианирование низкотемпературное – Цнрн-т;
– по условиям воздействия внешних факторов на:
– цианирование жидкостное – Цнрж;
– цианирование газовое – Цнрг;
– цианирование в твердой среде – Цнрт.
Высокотемпературное жидкостное цианирование (Цнрв-т,ж.) ведется в ваннах двух видов – с цианидом калия или натрия (NaCN, KCN) (табл. 11.36, 11.37) и цианидом кальция [Ca(CN)2].
Ванны, содержащие NaCN (KCN)
Детали, предназначенные для цианирования, перед загрузкой их в ванну должны быть тщательно просушены во избежание выплескиваний расплавленных солей. Температура процесса не должна превышать 850 °С, т.к. это ведет к быстрому истощению ванны.
Таблица 11.36
Состав ванн высокотемпературного цианирования
Состав ванны, % |
Температура плавления, °С | ||
NaCN |
Na2CO3 |
NaCl | |
20 25 30 40 |
40 15-20 20-25 30 |
40 55-60 45-50 30 |
580-610 |
Практически применяемые температуры лежат в пределах 750..850 °С в зависимости от марки стали, требуемой глубины цианированного слоя и конфигурации цианируемых деталей.
Глубина цианированного слоя является параболической функцией продолжительности процесса (рис. 11.20). Распределение концентрации углерода и азота по рис. 11.21. Структура слоя состоит: в поверхностных слоях из карбонитридных фаз Fe2(NC) и Fe4(NC) типа ε и γ’, в поверхностной зоне из мартенсита и троостомартенсита.
Для введения процесса цианирования стали при проведении его в герметически закрытом тигле без доступа воздуха и других окислителей идет чрезвычайно медленно и дает очень слабый эффект.
Для освежения ванн применяются технический высокопроцентный цианистый натрий, содержащий 85 % NaCN, 2 % NaCNO, 10 % Na2CO3 и 1 % NaCl, или среднепроцентный, содержащий 40…50 % NaCN, 25…30 % NaCl, 15-…20 % Na2CO3.
Минимальное содержание группы CN в работающей ванне должно поддерживаться на уровне 12…14 % или, в пересчете на цианистый натрий или калий, 22…26 % NaCN или 30…35 % KCN.
Концентрация NaCN (KCN) во время работы уменьшается и, кроме того, уровень соли в тигле снижается благодаря механическим потерям ее на «унос» с цианируемыми деталями и испарению.
Это требует добавления цианистых солей в ванну с расчетом получения в ней оптимального содержания 25 % NaCN или 35 % KCN.
Ванны, содержащие Ca(CN)2
Активный «цианплав» состоит из 30…35 % Ca(CN)2, 2…5% CaCN2, 10…12% NaCN, 30…35 % NaCl, 14…16 % CaO, 4…5 % C.
Рабочая ванна состоит из нейтральной части – 50…56 % CaCl2 (обезвоженного), 33…36 % NaCl в активной части (цианплав – 7…10 %); через каждые 2,0…2,5 часа при работе ванны в нее необходимо вводить 2…4 % цианплава.
Низкотемпературное жидкостное цианировании (Цнрн-т,ж). применяется с целью повышения режущих свойств инструментов, изготовленных из быстрорежущих и высоколегированных марок сталей (табл. 11.37, 11.38).
Таблица 11.37
Состав ванн для низкотемпературного цианирования инструмента
Тип ванны |
Активная часть |
Нейтральная часть |
Твердость HV после цианирования инструментов из стали марки Р9 | |
Na2CО3 |
NaCl | |||
1 2 3 |
50-55 25-35 85-90 |
25-30 45 10-15 |
15-20 25 - |
950-1100 950-1100 1000-1100 |
Инструменты подвергаются цианированию после их окончательной термической обработки.
Температура цианирования для инструментов из стали Р9 находится в пределах 550…560 °С.
Таблица 11.38
Глубина цианированного слоя быстрорежущей стали в зависимости от
продолжительности выдержки при низкотемпературном цианировании
Продолжительность Выдержки, мин |
Глубина слоя при содержании в ваннах NaCN, мм | ||
90 % |
50 % |
30 % | |
5 15 30 45 60 120 360 |
0,008 0,020 0,035 0,037 0,045 0,055 0,080 |
0,006 0,018 0,030 0,035 0,043 0,055 0,075 |
0,006 0,015 0,030 0,035 0,040 0,052 0,070 |
Глубина цианированного слоя зависит от содержания в ванне NaCN. Для ванн, содержащих не менее 50 % NaCN или 60 % KCN, рекомендуемая продолжительность процесса для различных видов инструментов приведена в таблице 11.39.
Низкотемпературное цианирование инструментов из быстрорежущей стали впервые было разработано проф. Д.А. Прошкиным и доц. В.Я. Дубовым.
Таблица 11.39
Продолжительность жидкостного цианирования инструментов
на глубину 0,02…0,03 мм
Инструмент
|
Диаметр, мм
|
Продолжительность выдержки для стали марок P18 и Р9, мни. |
Инструмент |
Диаметр, мм
|
Продолжительность выдержки для стали марок P18 и Р9, мни. |
Протяжки
Сверла, развертки и зенкеры
Метчики с шагом резьбы до 1 мм
Метчики с шагом резьбы 1,0-1,5 мм
Метчики с шагом резьбы 1,75-2 мм
Метчики с шагом резьбы больше 2 мм
Гребенки резьбовые с шагом резьбы до1 мм То же с шагом резьбы 1-1,5 мм То же с шагом резьбы 1,5-2 мм То же с шагом резьбы больше 2 мм Плашки плоские с шагом резьбы до 1 мм То же с шагом резьбы 1-1,5 мм |
5-10 10-15 15-20 20-30 30-40 > 40 3-5 5-10 10-15 15-20 20-30 30-40 > 40 4-5 6-10 10-15 15-20 20-30 30-40 > 40 4-6 6-10 10-15 15-20 20-30 30-40 > 40 4-6 6-10 10-15 15-20 20-30 30-40 > 40 4-6 6-10 10-15 15-20 20-30 30-40 > 40 —
—
—
—
—
— |
8 12 14 15 18 20-30 6 8 10 12 15 17 10-23 4 5 6 7 8 9 10-12 6 7 8 9 10 11 12-14 7 8 9 11 12 13 14-18 8 9 11 12 13 14 15-20 6–8
8–10
10-12
12-15
5
7 |
То же с шагом резьбы 1,5-2 мм То же с шагом резьбы больше 2 мм Резьбонарезные фрезы с нешлифованным зубом и шагом резьбы до 1мм**
Резьбонарезные фрезы с нешлифованным зубом и шагом резьбы 1-1,5 мм
То же с шагом резьбы больше 2 мм
Червячные и шлицевые фрезы с нешлифованным зубом и модулем до 1,0**
То же с модулем выше 1,0
Фрезы цилиндрические фасонные и торцевые со шлифованным зубом Дисковые фрезы
Резцы для шестерен с модулем 0,5-3,0 Фасонные тангенциальные резцы
Токарные и строгальные резцы |
-
-
40-50 50-70 70-90 90-100 > 100 40-50 50-70 70-90 90-100 > 100 40-50 50-70 70-90 90-100 > 100 50-60 60-80 80-100 100-120 > 120 50-60 60-80 80-100 100-120 > 120 до 40 10-60 60-80 > 80 Толщина 1-2 2-5 5-10 10-15 > 15 Сечение в мм - 2530 3045 140 4050 4060 610и812 1016 1624 2030 3045 |
8
10
10 11 12 13 14-15 12 13 14 15 16-18 14 15 17 18 19-20 18 19 20 2-2 23-25 22 24 26 30 32-40 10-12 16 20 25-30
6 8 12 15 18-23
10-13 15 18 22 26 26 10 12 14 16 20 |
*Продолжительность выдержки в этой таблице дана исходя из работы ванн, содержащих не менее 50 % NaCN или 60 % KCN, при температурах 550 – 560 °С для режущего инструмента из стали Р9. **Для инструментов (фрез) с шлифованным зубом продолжительность выдержки на 22…30 % меньше. Таблица составлена по уточненным данным Д.А. Прокошкина и В. Я. Дубового. |
Помимо выше указанных ванн для высоко- и низкотемпературного цианирования применяются также ванны на основе K4Fe(CN)6 (табл. 11.40).
Таблица 11.40
Состав ванн жидкостного цианирования на основе K4Fe(CN)6
Состав ванны, % |
Темпера плавления, °С |
Примечания | |||
K4Fe(CN)6·3H20 |
NaCl |
ВаС12 |
КОН | ||
30-50 30-50 |
70-50 - |
- 70-50 |
- - |
|
Для высокотемпературного цианирования |
90 80 |
- - |
- - |
10 20 |
500 490 |
Для низкотемпературного цианирования |
Цианирование газовое (Цнрг) является наиболее совершенным процессом одновременного насыщения стали углеродом и азотом (табл. 11.41).
а) Высокотемпературное газовое цианирование применяется для изделий из конструкционной стали с целью повышения их поверхностной твердости, износоустойчивости и предела выносливости.
В качестве цианизирующей среды для высокотемпературного газового цианирования деталей машин и инструментов (которое ведется при температурах 700…750 °С или 800…880 °С) применяется смесь, состоящая из 70…80 % науглероживающего газа и 20…30 % аммиака.
Науглероживающим газом может служить газ, полученный пиролизом керосина или мазута, а также светильный газ.
Газовое цианирование применяется для деталей, изготовляемых из среднеуглеродистой легированной стали типа 40Х, 35Г и т.п. При этом чем ниже содержание углерода в стали, тем более глубоким должен быть цианированный слой. Требуемая глубина цианируемого слоя зависит также от степени нагруженности деталей при эксплуатации и от сечения детали.
Таблица 11.41
Состав смеси для газового цианирования
Название науглероживающего газа |
Количество газа в смеси, % | |
Науглероживающий газ |
Аммиак | |
Газ пиролиза керосина – ПГН Генераторный газ (каменноугольный) Светильный газ Природный Природный Крекинг-газ углеводородов КГУ Природный газ Продукты частичного сжигания ПС-06 КГУ Природный газ КГУ Пиробензол* |
65-75 85-90 70-75 60-70 25 50 35 40 75 35 60 50-60 капель в минуту |
25-35 10-15 25-30 30-40 25 25 25 25 25 25 5 0,5-1,0 л\мин |
*Состав газа в рабочем объеме печи при 900 °С: 10…15 % СN4; 50…60 % H2; 5…8% СО; ~1,0 % СО2 |
После цианирования с этого же нагрева производится закалка деталей, после чего микроструктура поверхностного слоя состоит из нитроаустенита или нитромартенсита в поверхностной зоне и мартенситовой или троостомартенситовой зоны, расположенной под первой зоной.
б) Низкотемпературное газовое цианирование применяется для повышения режущих свойств и стойкости инструментов, изготовленных из быстрорежущей стали (фрезы, резцы, плашки, гребенки, зенкеры, зенковки, развертки, сверла, протяжки, метчики). Перед цианированием инструменты проходят полную термическую и механическую обработку. Глубина цианированного слоя получается равной 0,02…0,4 мм (рис. 11.22);
поверхностная твердость цианированных инструментов находится в пределах 980…1150 HV (60…70 HRC). Перед цианированием инструменты должны быть тщательно очищены от окалины, соли и масла.
Температура цианирования инструмента должна совпадать с температурой их отпуска или быть ниже ее на 5…10 °С; так, для стали Р9 температура цианирования равна 550…560 °С.
Продолжительность процесса цианирования в зависимости от диаметра или толщины цианируемых инструментов колеблется в пределах 45 минут до 2 с половиной часов.
Продолжительность газового цианирования инструментов в среде, содержащей 25…30 % аммиака и 65…75 % пиролизного газа (по Ю.А, Геллеру и В.С. Бабаеву) (продолжительность указана после нагрева инструмента) (табл. 11.42).
Цианирование в твердой среде (Цнрт.) применяется для режущих инструментов, прошедших окончательную термическую и механическую обработку.
Цианизатор состоит из смеси (по весу) 60…70 % просушенного древесного угля (с величиной зерна 1…5 мм); 10 30 % просушенной порошкообразной Na2CO3 в 20…40 % K4Fe(CN)6 или K3Fe(CN)6 в порошке (калиевые слои могут быть заменены натриевыми), предварительно просушенной при 100…200 °С.
Инструмент упаковывается в ящики с засыпкой цианизатором: на дно ящика насыпают слой цианизатора 20…30 мм; расстояние между инструментами и стенками ящика равно 20…30 мм; расстояние между инструментами 15…20 мм.
Цианирование инструмента ведется при температурах на 10…15 °С ниже температуры отпуска, то есть для инструментов из стали Р9 – при температуре 550…560 °С; продолжительность выдержки при процессе цианирования приведена в табл. 11.43.
После выдержки при температуре процесса охлаждения инструментов до температуры 100…200 °С производится в ящиках вне печи.
Твердость цианируемых инструментов 1000…1100 HV для стали Р9.
Для конструкционной стали паста вышеуказанного состава разводится 15 %-ным раствором технической патоки или канцелярского клея до состояния краски.
Пасту наносят на деталь слоем в 3…4 мм (для глубины цианируемого слоя в 1,0…1,5 мм). Детали загружаются в пустые цементационные ящики с песочным затвором. Процесс ведется при 920…930 °С с требуемой продолжительностью выдержки (например для пасты Сталит-2 (табл. 11.44) продолжительность 1,5…2,0 часа при δ = 1,3 мм).
Для инструментальной и быстрорежущей стали при цианировании применяется паста состава (В.А. Иванов): 50 % порошка древесного угля, 25 % Na2CO3 и 25 % K4Fe(CN)6, разведенная в 15 %-ном водном растворе патоки. Паста наносится на инструмент слоем толщиной в 6…8 мм. После просушки пасты инструмент упаковывается в железный ящик с засыпкой чугунной стружкой. Продолжительность цианирования инструментов из углеродистой и легированной стали 2 час при температуре отпуска. Инструмент из углеродистой и легированной стали нагревается до 780…820 °С в продолжение 2…3 час., закаливается, а затем подвергается низкому отпуску.
Таблица 11.42
Инструмент |
Диаметр или толщина, мм |
Выдержка, мин |
Фрезы резьбовые: а) с шлифованным зубом (шаг 1-1,5 мм)
б) с нешлифованным зубом (шаг до 1мм)
в) с нешлифованным зубом (шаг1 -1 ,5 мм)
Фрезы торцевые, цилиндрические и червячные: а) шлифованные
б) нешлифованные
Фрезы дисковые и шлифованные
Зенкеры и развертки
Метчики: а) с шагом до 1 мм
б) с шагом 1-1,5 мм
Резцы тангенциальные
Сверла |
25 - 35 35 - 50 50 - 75 75 - 100 25 - 35 35 - 50 50 - 75 75 - 100 25 - 35 35 - 50 >50
до 50 50 - 75 >75 До 50 50 - 75 >75 4 - 6 6 - 10 >10 10 - 15 15 - 20 20 - 30 >30 10 - 15 15 - 20 20 - 30 >30 10 - 15 15 - 20 20 - 30 >30 1010 2525 10 - 15 15 - 20 20 - 30 30 - 40 >40 |
50 - 60 60 - 75 75 - 90 90 - 100 60 - 75 75 - 90 90 - 100 100 - 120 75 - 90 90 - 100 100 – 120
90 - 100 100 - 120 120 - 150 100 - 120 120 - 150 150 - 160 50 - 60 75 - 90 90 - 120 60 - 75 75 - 90 90 - 120 120 - 150 20 - 40 40-60 60 - 75 75 - 90 40 - 50 50 - 75 75 - 90 90 - 120 90 - 100 120 - 150 50 - 60 60 - 75 75 - 100 100 - 120 120 - 150 |
Таблица 11.43
Продолжительность цианирования инструментов в твердом
цианизаторе на глубину слоя 0,02…0,03 мм
Инструмент |
Диаметр, мм |
Продолжительность выдержки, час |
Резьбовые фрезы, шаг 2 мм Резьбовые фрезы, шаг 2,5-3,5 мм Червячные фрезы, шаг резьбы 4,25мм Метчики, шаг резьбы < 2мм Метчики, шаг резьбы > 2мм Сверла
Перовые черновые сверла Перовые комбинированные чистовые сверла Долбяки Резцы наварные обдирочные Резцы прорезные Резцы дисковые резьбовые |
35 - 40 35 - 40 - До 10 10 - 25 До 5 5 - 10 10 - 25 70 60 - 70 90 - - - |
1,5 - 2,0 2,5 - 3,0 3,0 1,5 - 2,0 2,0 - 3,0 0,5 - 1,0 1,0 - 2,0 2,0 - 3,0 1,5 - 2,0 2,5 - 3,0 1,5 - 2,0 1,0 - 1,5 1,5 - 2,5 2,0 - 3,0 |
Таблица 11.44
Состав паст для цианирования конструкционной стали
Наименование составляющих паст |
Содержание, % (весовых) | ||||
Сталит 1 |
Сталит 2 |
Паста 3 |
Паста 4 |
Паста 5 | |
Сажа (голландская) или кокс (торфяной малосернистый) BaCO3 Na2CO3 и K2CO3 K4Fe(СN) 4 Щавеликослый натрий и калий Плав ГИПХ Муравьинокислый никель или щавелевокислый кобальт Феррохром Песок |
30 – 60
- 30 – 60 20 – 40 - 5 – 10 -
- - |
30 - 60
- 20 - 40 5 - 10 5 - 10 5 - 10 5 - 10
- - |
35
15 20 15 - - -
15 - |
45
20 20 15 - - -
- - |
40
15 20 20 - - -
- 5 |