Вопросы к экзамену по дисциплине «Основы технологии термической обработки на металлургических заводах»
ТТО сортового проката из подшипниковых сталей.
К шарикоподшипниковым сталям марок ШХ15, ШХ4, ШХ15СГ и ШХ20СГ предъявляются особо высокие требования относительно чистоты по неметаллическим включениям, пористости, карбидной неоднородности, глубине обезуглероживания.
Наличие дефектов металлургического производства приводит к значительному снижению эксплуатационной стойкости подшипников, поскольку большинство дефектов является концентраторами напряжений и очагами зарождения трещин под действием знакопеременных нагрузок. Одним из основных показателей качества шарикоподшипниковой стали в состоянии поставки является карбидная неоднородность. Существуют 3 вида карбидной неоднородности:
· карбидная ликвация
· карбидная полосчатость (строчечность)
· карбидная сетка
Сортовой прокат шарикоподшипниковой стали, поставляемый в отожженном состоянии в прутках сечением до 60 мм, должен иметь структуру равномерного мелкозернистого перлита. Твердость отожженных сталей марок ШХ4 и ШХ15 должна составлять 179-207 НВ, а для сталей ШХ15СГ, ШХ2СГ -179-217 НВ.
В тех случаях. Когда карбидная сетка оказывается выше требуемого балла, проводят повторный отжиг или, как его еще называют в производстве «переотжиг» при 760-780° С. Повторный отжиг способствует коагуляции карбидов и снижению неоднородности по карбидной сетке. Для полного превращения переохлажденного аустенита подшипниковые стали охлаждаются в интервале 820-600° С со скоростью 20-30° С/ч. Иногда вместо замедленного охлаждения прокат быстро охлаждают до 680-660° С за счет переноса из одной печи в другую, выдерживают при этой температуре в течении 3-4 ч для завершения распада аустенита. Такой вариант несколько снижает балл по карбидной сетке. Охлаждение ниже 600-650° С проводят на воздухе.
Если плавки после отжига имеют карбидную сетку, превышающую допустимую норму на 0,5 балла, их подвергают нормализации с 850-880° С. Однако следует при этом учитывать, что нормализация вызывает обезуглероживание стали, которое не должно превышать требуемых норм.
Обезуглероженный слой в этих сталях устраняют путем «исправительного» отжига в окислительной атмосфере, причем он может быть проведен либо после прокатки, либо после нормализации или обычного отжига.
Для исправления брака из-за обезуглероживания подшипниковые стали подвергают реставрационному отжигу в колпаковых печах с контролируемой атмосферой. Для получения науглероживающей атмосферы к защитному экзогазу добавляют природный в соотношении 1:8-13 по объему; науглероживающая способность этой среды зависит от содержания водяных паров в контролируемой атмосфере, определяемого точкой росы. Науглероживающая способность среды оптимальна при влажности. Не превышающей -40° С по точке росы. Для проведения реставрационного отжига прокат шарикоподшипниковой стали загружают на стенд колпаковой печи, и после установки муфеля производят холодную продувку защитным газом в течении 3-4 ч. Накрывают колпаком и нагревают до 650 ° С, после чего вновь включают подачу защитного газа для горячей продувке печного пространства вплоть до температуры отжига. Подачу газа прекращают при охлаждении садки до 650° С. Реставрационный отжиг стали ШХ15озволяет снизить исходный обезуглероженный слой в среднем на 45 %.
Режимы отжига сортового проката шарикоподшипниковой сталей приведен на рисунке 1,а, б 
Рис.1 Режимы отжига сортового проката шарикоподшипниковой сталей:
а-обычный отжиг (сплошная линия – профили диаметром до 40 мм, штриховая - более 40 мм)
б - «исправительный» отжиг
ТТО литых заготовок.
Необходимость и характер термической обработки слитков связана с особенностью строения литой стали, и, в первую очередь, с ее неоднородностью. Неоднородность обычно бывает трех видов:
· физическая неоднородность
· химическая неоднородность
· структурная неоднородность
Физическая неоднородность определяется наличием усадочной раковины и пористости, обусловленных разницей объемов жидкого металла и закристаллизовавшегося металла и газами, растворенными в жидком металле и выделяющимся при кристаллизации. Нарушение сплошности металла может проявляться и в виде трещин, которые образуются под воздействием больших внутренних напряжений, возникающих при охлаждении слитка.
Структурная неоднородность обусловлена наличием в стальном слитке трех основных зон, из которых основное значение зоны столбчатых и равноосных кристаллов.
Относительное разделение в объеме слитка этих зон имеет большое значение. В зоне зоне столбчатых кристаллов металл более плотный, он содержит меньше раковин и газовых пузырей. Однако места стыков столбчатых кристаллов имеет малую прочность.
Химическая неоднородность – ликвация подразделяется:
· Зональная ликвация – химическая неоднородность в пределах различных зон слитка. Она обнаруживается в виде пятен или ликвационного квадрата на поперечных темлетах. Причиной зональной ликвации является либо скопление на границе зон столбчатых и равноосных кристаллов неметаллических включений, либо повышенная концентрация серы, фосфора, углерода.
· Дендритная ликвация - химическая неоднородность в пределах дендритов. Присуща сплавам. Кристаллизация которых происходит в интервале температур, в результате чего в слитке наблюдается неоднородное распределение легирующих элементов и примесей по сечению, а также появление избыточных фаз составляющих эвтектического или перитектического происхождения (карбидная неоднородность). Возникновение дендритной ликвации обусловлено различной растворимостью углерода и других элементов в жидкой и твердой фазах.
На возникновение и развитие дефектов литой структуры значительное влияние оказывает скорость кристаллизации, зависящая от массы слитка. Кроме того. Охлаждение слитков, особенно из легированных сталей, сопровождается развитием значительных внутренних напряжений, которые приводят к образованию трещин. Возникновение внутренних трещин связано с неравномерностью объемных изменений стали при тепловой усадке.
Внутренние напряжения появляются и в результате структурных превращений. В процессе охлаждения происходит превращение аустенита в структуру перлитного типа или мартенсит. Удельный объем исходной и конечной структур различен. Ввиду того, что охлаждение о сечению слитка происходит неравномерно, различные зоны его превосходят через критические точки в разное время. Объемные изменения, связанные со структурными превращениями, следовательно, также происходят неодновременно по всему слитку, а это приводит к возникновению внутренних напряжений. Опасность возникновения внутренних напряжений в литке возрастает в связи с тем, что литая сталь имеет грубое крупнозернистое строение.
Характеристика слитков
Стальные слитки по массе подразделяют на мелкие(менее 2 т), средние(2-8 т), крупные(8-50 т), очень крупные(50-250т). Слитки высоколегированных сталей обычно имеют массу 0,2-1,1т (иногда до 3,5). Уменьшение массы слитка способствует уменьшению степени дендритной неоднородности. В крупных слитках, наряду с дендритной ликвацией, выявляется значительная зональная ликвация.
Стальные слитки подразделяют по назначению на: кузнечные, прокатные, сортовые квадратного сечения, трубные круглого сечения, листовые слитки прямоугольного сечения. Термическая обработка их преследует следующие цели.
Снижение внутренних напряжений для предупреждения возникновения трещин при хранении их на промежуточном складах и при перевозке в передельные цехи.
Понижение твердости для обдирки слитка с целью устранения поверхностных дефектов.
Выравнивание дендритной неоднородности.
Слитки, предназначенные для передела на блюминге, в большинстве случаев передают в печь для нагрева под прокатку(нагревательные колодца)в горячем состоянии (непосредственно после затвердевания в изложницах). Такой вариант нагрева называют горячим посадом. Однако применять горячий посад невозможно, если необходима обдирка слитков перед прокаткой или ковкой, при поставке слитков для прокатки на другие заводы и при обработке некоторых высоколегированных сталей, склонных к образованию трещин при прокатке. В таких случаях слитки для предупреждения возникновения опасных внутренних напряжений подвергают либо замедленному охлаждению в неотапливаемых колодцах, либо охлаждению в изложницах с последующей специальной термической обработкой.
Для термической обработки слитков используют колодцевые печи или печи с выкатным подом.
Для снижения твердости и снятия внутренних напряжений слитки подвергают отжигу или высокому отпуску.
Конкретные режимы термической обработки слитков определяются составом стали, их массой и используемым оборудованием.
Слитки из быстрорежущих, высокохромистых сталей ледебуритного класса, хромистых коррозионностойких и некоторых инструментальных сталей подвергают отжигу с фазовой перекристаллизацией (полному отжигу). Стали содержат большое количество устойчивых карбидов W, Mo, V, Cr и поэтому не склонны к перегреву. Скорость нагрева, ввиду пониженной теплопроводности, не должна превышать 60°С/ч.
Слитки легированных конструкционных сталей перлитного, перлитно-мартенситного классов подвергают высокому отпуску.
Хромоникелевые, хромоникельмолибденовые и хромоникельвольфрамовые стали мартенситного класса (20Х2Н4А и др.) вследствие высокой устойчивости переохлажденного аустенита имеют даже при замедленном охлаждении структуру мартенсита или трооститомартенсита, поэтому отжиг их с фазовой перекристаллизацией не приводит к образованию перлитной структуры. Для снижения твердости их достаточно нагреть до температуры Ас1. При высоком отпуске наряду со снятием напряжений происходит распад мартенсита с образованием структуры сорбита, что и приводит к снижению твердости.
Гомогенизирующему отжигу подвергают только слитки из легированный сталей, предназначенных для изготовления весьма ответственных изделий. Отжиг проводят как в холодных, так и горячих слитков сразу же после из затвердевания в изложницах.
Температуру нагрева при гомогенизирующем отжиге обычно устанавливают в пределах 1100-1170°С. Продолжительность выдержки при отжиге составляет 8-15 ч, а охлаждение садки осуществляют замедленно с печью до 800-820°С, затем на воздухе.
При гомогенизирующем отжиге слитков под влиянием высокой температуры происходит интенсивный рост зерен. Поскольку слитки затем подвергают горячей обработке давлением (прокатке, ковке и др.), в процессе которой происходит измельчение зерна, проведения специальной термической обработки для устранения крупнозернистой структуры не требуется.
Смягчающая обработка сортового проката.
Водород в стали.
Одной из главных причин низкого качества, а иногда и брака крупных поковок является чрезмерная насыщенность металла водородом (от 3—5 до 10—12 см3/100г металла). Все это приводит к необходимости установления длительных, не всегда научно-обоснованных режимов противофлокенной термической обработки.
Количество водорода ь жидкой стали зависит от способа выплавки, вида применяемого топлива, шлакового режима, продолжительности плагин, кипения, раскисления и целого ряди других факторов. Водород может быть внесен щихтовыми (чугуном, стальными отходами), легирующими, шлакообразующими материалами, рудой и раскислителями. Содержание водорода в основной мартеновской стали колеблется в пределах от 5—7 до 8—10, в кислой — от 3—4 до 5—7 см3/100 г металла.
Одним из действенных методов снижения содержания водорода в стали является применение вакуумной разливки, которая уменьшает содержание водорода примерно вдвое.
Для крупных слитков наиболее эффективной является дегазация стали при отливке слитков в изложницу или вакуумирование стали в струе. При отлнвке слитка в вакууме струя жидкой стали, попадая в разреженное пространство камеры, распадается на множество капель и струек. Это создает наиболее благоприятные условия для полного очищения металла от газов и неметаллических включений. Отмечено, что в результате вакуумирования содержание водорода.
Водород в стали может находиться в виде:
а) растворенных атомов в матрице;
б) ионов;
в) молекул;
г) химических соединений — гидридов.
Установлено, что большая часть водорода в стали при низких температурах находится в микропорах в газообразном состоянии (пустоты, скопления, дислокаций).