Материал: 9_ТО листов, проволоки

Технология термической обработки листового проката. Термомеханическая обработка проката

Сл.2.Стальной листовой прокат условно разделяют на тонколистовой с толщиной 0,2…3,9 мм и толстолистовой толщиной 4,0…160 мм. Тонколистовую сталь производят в листах шириной от 500 до 4000 мм и длиной от 1200 до 5000 мм, а также в виде полосы в рулонах шириной 200…2300 мм. Толстолистовую сталь производят в виде листов или широкой полосы.

Листовой прокат, как правило, используется в состоянии поставки т.е. без дополнительной термической обработки у потребителя. Свойства листов, поставляемых с металлургических заводов, в основном сохраняются в готовых изделиях. Поэтому к листам предъявляют требования по механическим свойствам. Основную часть листов используют для получения изделий методами холодной штамповки, гибки. В связи с этим к стали предъявляют требования по штампуемости, оцениваемой по глубине лунки по Эриксону.

По способности к вытяжке сталей в стандартах предусматривается деление их на категории, обозначаемые Г - глубокая, Н - нормальная, ВГ - весьма глубокая, СВ - сложная, ОСВ - особо сложная и ВОСВ - весьма особо сложная. Склонность сталей к деформации при вытяжке зависит от размера зерна и дисперсности структуры. В листовых заготовках не допускается наличие обезуглероженного слоя, скоплений неметаллических включений, интерметаллидных и карбидных фаз.

Сл.3.Технология термической обработки тонколистового проката регулирует конечную структуру и свойства стали с целью обеспечения лучшей штампуемости. Для этого применяют рекристаллизационный или нормализационный отжиг. Для изготовления тонких листов используются низкоуглеродистые и низколегированные стали: 08кп, 08пс, 08Ю, 10, 15, 16ГС, 09Г2С, 09Г2СД, 10Г2С1, 10ХСНД. В зависимости от механических свойств тонколистовой прокат поставляется по 17 категориям, со следующими изменениями механических свойств: σ_в = 450-550 МПа, KCU^-40=0,3-0,4 МДж/м².

Наилучшая штампуемость обеспечивается при структуре доэвтектоидных сталей в виде равноосного феррита с размером зерна 5-7 балла для кипящих сталей, для сталей спокойных с небольшим количеством мелкозернистого структурно свободного цементита.

Сл.4.Технологию термической обработки рассмотрим на примере тонкой ленты для глубокой и особо сложной вытяжки:

1. Степень обжатия в последней клети стана горячей прокатки должна быть выше критической и составлять 15-20%.

2. Температура конца прокатки должна находиться выше критической точки А_с3 (860-920 °С).

3. Охлаждение в интервале температур 750-550 °С после выхода из последней клети стана горячей прокатки перед смоткой должно быть быстрым для получения цементита сферической формы.

4. Смотка в рулон ленты должна выполняться при 550-650 °С.

5. Холодная прокатка производится при суммарной величине обжатия равной 50-60%.

6. Рекристаллизационный отжиг ведется в рулонах или при размоте ленты с протягиванием через печь при температурах ниже точки А_с1 (640-720 °С).

Сл.5.Рекристаллизационный отжиг выполняют в колпаковыхпечах с защитной атмосферой. Нагрев рулонов ведется со скоростью 10-50 °С/ч. Конечная температура нагрева для кипящих сталей назначается в пределах 680-700 °С, для спокойных 700-720 °С. Время выдержки назначают из условия получения допустимого перепада температуры по сечению рулона. Скорость охлаждения рулона в интервале температур 720-300 °С должна быть малой и равной ~40 °С/мин. График режима отжига рулонов в колпаковой печи приведен на рис. 28.

Рис. 28. Типичный режим отжига рулонов из стали 10 в одностопной колпаковой печи: 1 - нагрев; 2 - охлаждение под муфелем; 3 - охлаждение на воздухе

Общая длительность отжига составляет около 80 ч. Для сокращения времени отжига применяют распущение рулонов, что позволяет сократить в 2-3 раза время обработки.

Сл.6.Технология термической обработки толстолистовой стали включает операции отжига-нормализации с высоким отпуском или без него и улучшение. Нормализация применяется для повышения пластичности листов толщиной не более 15 мм. Термическая обработка улучшением (закалка + высокий отпуск) используется для более толстых листов. Толстолистовая сталь изготавливается из углеродистых сталей с содержанием 0,08-0,30% углерода или низколегированных: 09Г2, 15Г, 09ГСД, 15Г2СФД, 14ХГС, 10ХСНД, 15ХСНД и др., поставляется или с термообработкой, или без нее.

Сл.7.Наиболее перспективно применение термической обработки с использованием тепла горячей прокатки по следующим схемам (рис. 29):

Рис. 29. Способы термической обработкилистов из низкоуглеродистой стали (Ст3сп,толщина листа 40 мм): 1 – нормализация спрокатного нагрева; 2, 3 – одинарная идвойная упрочняющие термические обработки; 4 – охлаждение на воздухе

1. Нормализация с использованием тепла прокатного нагрева, когда листы принудительно охлаждаются водой до 680-600 °С, а затем на воздухе до 550 °С и нормализация в печах;

2. Одинарная термообработка, заключающаяся в ускоренном охлаждении листов водой до 700-650 °С затем на воздухе, что обеспечивает получение мелкозернистой структуры с повышенной прочностью;

3. Двойная упрочняющая термическая обработка, состоящая изускоренного охлаждения водой до 600-300 °Сс последующим отпуском при 620-680 °С в печах. Такая схема термообработки позволяет получить после отпуска мелкие зерна феррита и равномерное распределение тонкодисперсных карбидов. Полученная структура отвечает наиболее высокому уровню характеристик прочности при хорошей их равномерности по площади листа.

Сл.8.Технология термической обработки проволоки и ленты. Патентирование

Стальная проволока производится на метизных подразделениях металлургических предприятий. Она может иметь круглый или фасонный профиль (квадратный, прямоугольный, клиновидный, трапециевидный и др.) с сечением до 16 мм. В промышленности производятся свыше 7000 типоразмеров.

По назначению различают пружинную, канатную, арматурную, подшипниковую, вязальную, игольную проволоку.

В зависимости от диаметра проволоку подразделяют на:

1. Особо толстую диаметром 8-16 мм;

2. Толстую диаметром 6-8 мм;

3. Средней толщины диаметром 1,6-6,0 мм;

4. Тонкую диаметром 0,4-1,6 мм;

5. Тончайшую диаметром 0,1-0,4 мм;

6. Наитончайшую (микронную) диаметром меньше 0,1 мм.

Значительную часть проволоки выпускают с защитными покрытиями: цинком, оловом, кадмием, алюминием, хромом, пластмассами и лаками.

Преобладающую долю в общем объеме производства занимает проволока обыкновенного качества из низкоуглеродистых сталей: меньшую - повышенной и высокой прочности из средне- и высокоуглеродистых и легированных сталей.

Сл.9.В нормативной документации на проволоку оговариваются следующие свойства:

1. Механические (σ_в, число перегибов, число скручиваний, способность выдерживать навивку вокруг стержня определенного диаметра без поломок и растрескивания).

2. На разрыв с узлом (канатная диаметром до 0,8 мм).

3. По излому, микроструктуре, глубине обезуглероженного слоя, макроструктуре (флокены, пористость, трещины и др.), подшипниковая проволока.

4. Не допускаются поверхностные дефекты.

Маршрутная технологическая схема изготовления проволоки:

приготовление расплава; литье слитков; горячая деформация - получение катанки диаметром 4,7-19 мм; термическая обработка катанки (ПТО) может отсутствовать; подготовка поверхности к волочению; волочение; окончательная термообработка (ОТО).

Две последние операции могут повторяться несколько раз для того, чтобы получить требуемый размер проволоки.

Сл.10.ПТО катанки. Качество катанки должно обеспечить отсутствие обрывов при волочении и однородность готовой проволоки по механическим свойствам. В связи с чем, катанка контролируется на отсутствие неметаллические включений, усадочной рыхлости, раковин, пузырей, дефектов прокатки (закаты, вмятины, волосовины). Микроструктура катанки должна представлять собой сорбитообразный пластинчатый перлит.

Сорбитизированную структуру получают посредством двухстадийного регулируемого охлаждения с прокатного нагрева - технология Белорецкого металлургического комбината (БМК). На первой стадии выполняют циклическое охлаждение водой до среднемассовой температуры 720-740 °С со средней скоростью 300-400 °С/с. При этом температура поверхности не опускается ниже температуры М_н (рис. 30 ).

Рис. 30. Изменение температурыповерхности (tп) и сердцевины (tс)катанки в процессе первой стадииохлаждения при сорбитизации.

Скорость прокатки ~50 м/с. На второй стадии - охлаждение на воздухе, подаваемом вентилятором, до 300-400 °С и далее на спокойном воздухе. Врезультате получается однородная структура пластинчатого (квазиэвтектоид)перлита и с межпластиночным расстоянием 0,13-0,16 мкм и структурно свободным дисперсным ферритом.

Перед операцией волочения катанкапроходит подготовку аналогичную обработке сортового проката перед калибровкой.После волочения проволока проходит ОТО.

Сл.11.Окончательная термообработкапроволоки включает рекристаллизационный отжиг, патентирование или закалку иотпуск. В игольной проволоке из стали У7А- зернистый перлит образуется при ускоренном охлаждении до 500-550 °Сс температуры конца горячей деформации.

Рекристаллизационный отжиг это основной вид термообработки для проволокииз высокоуглеродистых сталей. Мотки проволоки отжигают в колпаковых или роликовых печах.

Параметры отжига определяются маркой стали и находятся по температуре в пределах 670-700 °С, с выдержкой 3-6 ч для колпаковых печей (отжиг в мотках) или в проходных, где выдержка определяется диаметром проволоки. Для сокращения времени отжига возможно применение «кипящегослоя», отжиг ведется в нитку, при этом время отжига сокращается в 9-10 раз.

Сл.12.Патентирование предусматривает обработку проволоки в нитку ипроводится в непрерывно действующих установках (рис. 31). Перемоткапроволоки с фигурок (размоточных устройств) 1 через нагревательную печь2 и ванну 3 на намоточные приводные барабаны 4.

Рис. 31. Схема установки для непрерывного патентирования проволоки

Нагрев ведется в протяжных трубчатых печах до температуры выше точки А_с3 на 80-100 °С, что обеспечивает однородность аустенита и оптимальный для волочения размер зерна 2-3 балл. Данная операция применяется для средне- и высокоуглеродистых сталей (0,35-0,94%) и некоторых легированных в основном пружинных сталей 65Г, 70С2ХА, 50ХФА и др.

Для переохлаждения аустенита и изотермической выдержки чаще всего используют электродные соляные ванны (65-75% NaNO₃и 35-25% KNO₃), которые обеспечивают превращение переохлажденного аустенита в тонкопластинчатый перлит (сорбит) с толщиной пластин 10-40 нм и феррита с размером зерна 60-200 нм. Мартенсит и избыточный феррит в структуре не допускается. Такая структура позволяет проводить волочение с высокими суммарными обжатиями 90-99%. После волочения проволока имеет высокую прочность при сохранении повышенной пластичности и вязкости.

Сл.13.На практике обычно температура изотермической выдержки поддерживается в интервале 420-540 °С. Минимально необходимое время пребывания проволоки в ванне изотермической выдержки для углеродистых сталей составляет около 15 с. В промышленных условиях эта выдержка определяется экспериментально в зависимости от марки стали и диаметра проволоки. Для легированных сталей наиболее эффективно применение ступенчатого патентирования: 950 °С, выдержка 10 мин, охлаждение в ванне до 320 °С, перенос в ванну с температурой около 600 °С, выдержка 5-7 с.

Процесс патентирования считается более прогрессивным, если вместо соляных ванн используется «кипящий» слой или электроконтактный нагрев в нитку.

Сл.14.ОТОв виде закалки и отпуска применяется для высоколегированных сталей. Это чаще всего стали аустенитного или ферритного класса. Закалка выполняется с нагревом до температур 1000-1050 °Сс охлаждением в воде. С целью уменьшения окисления и обезуглероживания применяются высокотемпературные соляные ванны (расплав солей BaCl₂, KCl, NaCl). При выборе режима термообработки необходимо учитывать химический состав стали и диаметр проволоки (катанки). После закалки стали имеют структуру стабильного аустенита или феррита, которые имеют высокую пластичность. Поэтому волочение проволоки из этих сталей проводится после закалки. Отпуск проволоки ведется при температурах 450-620 °С после волочения. Такая технологическая схема является разновидностью термомеханической обработки и позволяет получить на проволоке высокие уровни прочности при сохранении значительных величин вязкости и пластичности.

Сл.15.Технология термической обработки деталей подшипников

Вмашиностроениииспользуетсяоколо 11000 типоразмеровподшипниковкаченияснаружнымдиаметром 2…3000 ммимассойотдолейграммадо 6 т. Подшипникиработаютвинтервалетемпературот−150 до +700°Ссоскоростьюдо 300000 об/мин. Выпускдеталейподшипниковведетсянаспециализированныхзаводахмашиностроения–государственныеподшипниковыезаводы (ГПЗ). Данныеизделиявыпускаютсяназаводахсмассовымикрупносерийнымхарактеромпроизводства.

Условия работы подшипников и материалы для их изготовления.

Деталиподшипниковиспытываютмногократноповторяющиесяконтактные,ударные нагрузки, износ, воздействие коррозионной среды и высоких температур. Основные виды дефектов, возникающих при работе - это контактно-усталостноевыкрашивание, смятие, износ, заклинивание, трещины, коррозия. Поэтому материалы для изготовления подшипников должны иметь: высокое сопротивление пластической деформации, стойкость против усталостного разрушения, износостойкость, достаточную вязкость, стабильность размеров.

Сл.16.В зависимости от условий работы деталей подшипников в отечественной промышленности предусмотрено три варианта термической обработки:

1. Детали подшипников работают без высоких ударных нагрузок. Они изготавливаются из заэвтектоидных легированных сталей типа ШХ15. Термическое упрочнение обеспечивает высокую твердость по всему сечению деталей;

2. Детали подшипников, испытывающие при эксплуатации значительные ударные нагрузки и высокие контактные напряжения (подшипники прокатных станов, буровых установок). Данные изделия изготавливаются из низкоуглеродистых легированных сталей (18ХГТ, 20Х2Н4А) с повышением твердости, износостойкости поверхности путем цементации и последующей термической обработки;

3. Детали крупногабаритных подшипников, работающие в условиях ударного нагружения (подшипники букс железнодорожных вагонов). Согласно разработок ВНИИЖТ данные изделия изготавливаются из стали ШХ4, эта сталь относится к заэвтектоидным хромистым сталям с регламентированной прокаливаемостью. Упрочняющая термическая обработка стали ШХ4 состоит из объемно-поверхностной закалки с отпуском.

Сл.17.Химический состав сталей применяемых для изготовления деталей подшипников приведен в табл. 15. Эти стали относятся к заэвтектоидным, так как содержат углерода более 0,8%. Основным легирующим элементом в подшипниковых сталях является хром, который образует карбиды, обеспечивающие повышенную износостойкость и твердость.

Таблица 15

Химический состав подшипниковых сталей