11.2. Принципиальные основы определения длительности термической обработки

11.2.1. Влияние технологических факторов на режимы

Нагрева деталей

Под длительностью процесса термической обработки понимается необходимое время, в течение которого детали пребывают в печи. Это время в каждом конкретном случае зависит от ряда факторов, например, таких, как конструкция печи и ее тепловая мощность, марки обрабатываемой стали и исходного состояния стали, максимального сечения деталей и их формы и массы одновременно загружаемых в печь деталей.

Если печь имеет недостаточную тепловую мощность, то нагрев деталей до заданной температуры происходит медленно, длительность процесса затяги­вается. Следовательно, достаточный резерв тепловой мощности печи должен рассматриваться как прогрессивный фактор в ускорении процесса. Зависимость времени нагрева от формы деталей и их расположения в печи установлена рабо­тами ЦНИИТМАШ (рис. 11.23). Из этой зависимости следует, что время нагрева квадратной заготовки с трехсторонним подводом тепла больше на 40 %, чем время нагрева заготовки круглого сечения с диаметром, равным стороне ква­драта при всестороннем подводе тепла. При укладке таких же квадратных заготовок без зазоров время их нагрева увеличивается в 4 раза. Время нагрева круглых заготовок при укладке их без зазоров увеличивается в 2 раза по сравнению с нагревом одной заготовки.

Рис. 11.23. Время нагрева круглых и квадратных заготовок в зависимости от степени взаимного экранирования (время нагрева круглой заготовки диаметром d принято за единицу) (В.Ф. Копытов)

Однако тот или иной способ укладки деталей в печи должен определяться в зависимости от операции технологического процесса, именно в зависимости от длительности отдельных элементов теплового режима.

На рис. 11.24 представлены два графика теплового режима термической обработки, из которых левый включает в себя время нагрева (τ₁) до заданной температуры, время вы­держки (τ₂) при заданной температуре и время охлаждения, причем охлаждение произво­дится вне печи, что является характерным при режиме закалки и нормализации.

Рис. 11.24. Элементы теплового режима при термической обработке

Правый график включает по сравнению с левым еще дополнительное время τ₃, необ­ходимое для охлаждения деталей в печи с определенной скоростью с целью понижения твердости, например, при отжиге поковок подшипниковых колец из стали ШХ15 или при отжиге отливок на ковкий чугун (пунк­тирная кривая) и т. п.

Если при термической обработке время τ₁ больше τ₂, то с целью сокращения длительности процесса целесообразно укладку деталей производить с зазорами. В случае же процесса, при котором сумма выдержек (τ₂+ τ₃+…) больше τ₁, экономически целесообразно укладку производить без зазоров и даже слоями в коробах, что повышает производительность печи. Следовательно, оптималь­ный способ раскладки деталей в печи при термической обработке является важным фактором в определении длительности обработки, а также и про­изводительности печи.

Марка стали и ее исходное состояние должны учитываться при определе­нии длительности нагрева (τ₁) до заданной температуры.

Практически доказано, что скорость нагрева малоуглеродистых сталей может быть любой независимо от исходного состояния. Нагрев же высоко­углеродистой литой или кованой стали в неотожженном состоянии должен производиться с некоторым замедлением с целью предотвращения значитель­ных напряжений, которые могут при быстром нагреве вызвать образование трещин.

Согласно нормативам, разработанным ЦНИИТМАШ, время нагрева инструментальных углеродистых сталей и среднелегированных конструкционных сталей удлиняется по сравнению с обычной конструкционной сталью на 25…50 %, для высоколегированных конструкционных и инструментальных сталей – на 50…100 %.

Нагрев мелких деталей из любых конструкционных сталей может быть бы­стрым настолько, насколько позволяет печь.

Во всех случаях, когда это возможно, нагрев стали до заданной температуры предпочтительнее производить быстро, так как это увеличивает производитель­ность печей, снижает удельный расход топлива и сокращает общую длитель­ность процесса термической обработки.

В печах для термической обработки возможны три различных случая на­грева:

1) медленный нагрев деталей вместе с печью (рис. 11.25, а) применяется с целью предотвращения большой разности температур по сечению; длительность про­цесса в этом случае значительна;

2) нагрев деталей в печи с постоянной температурой (рис. 11.25, б), которая поддерживается все время на заданном уровне; разность температур в этом случае больше, а время нагрева меньше, чем в первом случае;

3) нагрев деталей в печи с переменной температурой; в этом случае детали загружаются в печь, температура в которой выше, чем требуется для термической обработки (рис. 11.25, в); по мере достижения деталями заданной темпе­ратуры падает температура печи, приближаясь к заданной для обработки. В этом случае скорость нагрева наибольшая, напряжения, возникающие в ме­талле, также наибольшие.

Рис. 11.25. Три различных режима нагрева деталей в печи:

t' – заданная температура нагрева; Т’_а, Т’_b, Т’_c – время нагрева;

t_п – температура поверхности детали; t_ц – температура центра детали

Первый случай является типичным при термической обработке крупных деталей в печах периодического действия.

Второй случай характерен для нагрева деталей в проходных и камерных печах при обычном методе термической обработки.

Третий случай является примером форсированного метода нагрева.

Каждый из указанных случаев нагрева имеет свою методику определения длительности процесса. Выбор правильной и обоснованной технологии нагрева металла является важной задачей, от решения которой в значительной степени зависят технико-экономические показатели работы агрегатов, а следовательно, и цеха.