Тема 15 Пайка, склеивание и лужение

Студент должен:

знать:

- назначение пайки и область применения;

- разновидности припоев и флюсов, и область их применения;

- инструмент для пайки;

- виды паяных швов;

- правила техники безопасности и противопожарной безопасности при

выполнении пайки.

уметь:

- выполнять технологический процесс пайки.

Оснащение рабочего места: слесарный верстак; стол с устройством для разжигания паяльных ламп и вытяжным зонтом; лампы паяльные; паяльники периодического подогрева (тепловые); паяльники непрерывного подогрева (электрические); напильники разные; клещи кузнечные; плоскогубцы; шлифовальная шкурка; щетки металлические; тигель; ванна кислото-упорная; ванна промывочная; кисточки волосяные; ветошь; цинк листовой; оловянно-свинцовый припой; олово; нашатырь кусковый; канифоль; соляная кислота; 25%-ный раствор соляной кислоты; хлористый цинк; 10%-ный раствор каустической соды; бензин; ацетон; рукавицы брезентовые; очки защитные.

Для пайки тугоплавкими припоями: горн кузнечный, муфельная печь или установка ТВЧ, медно-цинковые припои; бура.

Пайкой называется соединение деталей в нагретом состоянии с помощью сравнительно легкоплавкого металла, называемого припоем. Пайка широко распространена в различных отраслях промышленности для создания неразъемных соединений различных заготовок и деталей из стали, цветных металлов и их сплавов, а также разнородных металлов. Пайку применяют при изготовлении радио- и электроприборов, резервуаров, радиотоваров, твердосплавного режущего инструмента и т.п. Сущность пайки состоит в том, что расплавленный припой под действием капиллярных сил заполняет зазор между паяемыми поверхностями деталей, смачивает их и диффундирует (проникает) в металл.

После остывания припоя в зоне соприкосновения деталей образуется плотное и достаточно прочное соединение, называемое паяльным швом. Качество, прочность и эксплуатационная надежность паяного соединения зависит от правильного выбора припоя и тщательности подготовки соединяемых поверхностей под пайку.

Для очистки поверхностей применяют зачистку напильниками, металлическими щетками, шлифовальной шкуркой и т.п. Детали, полученные обработкой резанием (всухую), паяют без дополнительной зачистки. Если при механической или слесарной обработке применяли масло или эмульсию, то их перед пайкой удаляют обезжириванием в бензине, ацетоне и других веществах. Перед пайкой детали плотно подгоняют одну к другой. При нагреве соединяемых пайкой деталей их поверхности окисляются (покрываются тонкой пленкой), в результате чего припой не пристает к деталям. Для удаления окисной пленки применяют паяльные флюсы, которые растворяют окислы, образуют легко удаляемые шлаки, способствуют лучшему смачиванию паяемых поверхностей расплавленным припоем и затеканию его в зазоры. Для легкоплавких припоев применяют следующие флюсы: хлористый цинк (травленая соляная кислота), нашатырь (хлористый аммоний) и канифоль. Для тугоплавких припоев применяют борную кислоту и буру. При пайке чугуна, алюминия, нержавеющих сталей применяют различные составы флюсов.

		а - угловой; б - прямой Рисунок 15.2 Паяльник периодического нагрева

Наиболее часто для нагрева используют паяльные лампы (рис.15.5.). К паяльникам непрерывного подогрева относятся электрические паяльники (рис. 15.3), позволяющие осуществлять пайку непрерывно. Они удобны в обращении, обеспечивают постоянную температуру, при работе меньше образуется вредных газов.

Лужением называется процесс покрытия поверхностей металлических деталей тонким слоем расплавленного олова или оловянно-свинцовыми сплавами (припоями). Лужение производят в целях защиты деталей от коррозии и окисления, подготовки поверхностей соединяемых деталей к пайке легкоплавкими припоями, перед заливкой подшипников баббитом и в тех случаях, когда от изготовленного сосуда требуется герметичность.

Лужение поверхностей производят горячим и электрическим способами. Лужение горячим способом благодаря своей простоте, легкости выполнения и несложному оборудованию находит широкое применение при слесарной обработке.

Приемы пайки легкоплавкими припоями. После подготовки паяемых поверхностей деталей, их подгонки и скрепления приступают к пайке. Зазоры между деталями не должны превышать 0, 05...0, 15 мм для стали и 0, 1...0, 3 мм для меди. При использовании периодически подогреваемого паяльника его носок очищают от следов окалины напильником, заправляют под углом 30...40⁰, снимают заусенцы, слегка закруглив ребро носка. Защищенный паяльник нагревают паяльной лампой или другим источником теплоты до 350...400⁰С для пайки крупных деталей и до 250...300⁰С для пайки мелких деталей и листового материала. Нагревают рабочую часть (обушок) паяльника. Нагрев паяльника лучше всего выполнять керосиновой паяльной лампой (рис.15.5).

Для разжигания лампы надо налить в ванночку 3 немного бензина и поджечь его. Перед разжиганием лампы вентиль 4 закрывают, а воздушный клапан 2 открывают. К моменту полного сгорания бензина в ванночке 3 следует закрыть клапан 2, подкачать воздух в резервуар 1, слегка открыть вентиль 4 и поставить лампу около защитного устройства (или кирпича) на расстоянии 10...15 см, прогреть змеевик лампы малым пламенем, а затем отрегулировать интенсивность горения. Гасят лампу закрытием вентиля 4 и выпуском воздуха из резервуара 1 клапаном 2. При засорении ниппеля лампы его прочищают примусной иголкой.

		Рисунок 15.7 Подготовка паяльника к работе
		Рисунок 15.6 Нагрев паяльника

Для нагрева паяльник помещают в специальное устройство (рис.15.6, а), следя, чтобы его рабочая часть (обушок) находилась в некоптящей зоне пламени. Нагретый паяльник в перерывах между пайкой кладут на подставку, согнутую из стального прутка (рис.15.6, б).

Приемы подготовки паяльника к работе легкоплавким припоем показаны на рис.15.7, а...в. Нагретый паяльник сначала очищают от окалины погружением в хлористый цинк или нашатырь (рис.15.7, а), затем производят облуживание рабочей части носка паяльника, для чего очищенным в хлористом цинке паяльником набирают с прутка одну-две капли припоя (рис.15.7, б) и производят трущие (возвратно-поступательные) движения по кусковому нашатырю до тех пор, пока носок не покроется ровным слоем припоя (рис.15.7, в). Затем протравливают место спая, для чего кисточкой наносят раствор хлористого цинка или другой флюс. После этого паяльник накладывают на место пайки, где расплавленный припой стекает с паяльника и заполняет зазоры между деталями. Если припой не растекается по поверхности, не затекает по поверхности и не затекает в зазор, то место пайки надо еще раз покрыть флюсом и повторить операцию пайки. Скорость перемещения паяльника вдоль паяемого шва, или скорость прогрева, зависит от массы паяльника, температура его нагрева и массы (толщины) паяемых деталей. Приемы пайки легкоплавким припоем показаны на рис.15.8, а...ж.

		а - протравливание места пайки с флюсом (хлористым цинком); б - нанесение припоя и перемещение паяльника по шву; в - пайка в стык; г - пайка в нахлестку; д - пайка толстой пластины к тонкой; е - пайка трубы; ж - пайка толстых проводов и стержней Рисунок 15.8 Приемы пайки легкоплавким припоем

Если припой не заполняет зазор шва, а тянется за паяльником или превращается в кашеобразную массу, то паяльник остыл или недостаточно нагрет. Перегрев паяльника влечет повышение окалинообразования и ухудшение лужения носка. Часто перед пайкой для надежного схватывания припоя применяют предварительное облуживание поверхностей спая, для чего эти поверхности покрывают тонким слоем припоя или олова.

После пайки полученного шва следует удалить остатки флюса путем промывания детали в проточной воде, затем в водном растворе каустической соды, снова в проточной воде и просушить. Контроль пайки проводят внешним осмотром шва на герметичность (не допускается течь спаянного сосуда, наполненного водой) и прочность (деталь, изогнутая в месте спая, не должна иметь трещин).

При пайке деталей из меди и ее сплавов, в том числе проволоки, лучшим флюсом является канифоль.

Приемы пайки среднеплавкими и тугоплавкими припоями

Подготовка деталей для пайки тугоплавкими припоями такая же, как и для пайки легкоплавкими припоями. После очистки поверхностей и нанесения флюса (буры) в зазоры вводят припой в виде порошка, ленты, пластинки и т.п., затем скрепляют мягкой проволокой, чтобы соединяемые детали не сместились. После такой подготовки деталь осторожно вводят в зону пламени паяльной лампы, газовой горелки, горна, в индуктор установки ТВЧ и следят за процессом плавления припоя. Вначале нагрев места спая нужно вести медленно с выдержкой до 5 мин на каждом этапе. Когда вздувшаяся бура осядет, нагрев усиливают и продолжают до тех пор, пока припой полностью не расплавится и не зальет зазоры между соединяемыми деталями. По окончании пайки деталь медленно охлаждают, защищают шов от излишка наплавленного и вытекающего припоя, затем промывают и просушивают.

В учебных мастерских самым распространенным видом пайки среднеплавким припоем (медью, латунью и т.п.) является пайка пластин твердого сплава к державкам токарных резцов для механического участка учебных мастерских. Приемы работ заключаются в следующем: перед напайкой пластины место спая обезжиривают и покрывают флюсом, на державку резца, имеющую паз (гнездо) для твердосплавной пластины, кладется тонкая пластинка листового припоя из латуни; затем в паз помещают твердосплавную пластину и все соединяют (связывают) тонкой вязальной проволокой (рис.15.9, а), место пайки посыпают бурой и нагревают в кузнечном горне (рис.15.9, б) или другом источнике теплоты до расплавления порошка буры (650...700⁰С), затем вторично наносят порцию буры и продолжают нагрев до расплавления припоя (850....900⁰С), который должен заполнить щель между паяемыми деталями. Для более плотного соединения пластину правой рукой прижимают стальным стержнем к державке токарного резца, после пайки резец охлаждают, промывают, очищают от вязальной проволоки, остатков буры и припоя. При отсутствии в учебных мастерских кузнечного горна источником теплоты могут быть муфельная печь, газовая горелка, паяльная лампа или установка ТВЧ.

Лужение растиранием и погружением

При лужении растиранием деталь зачищают напильником, шабером или шлифовальной шкуркой до равномерного металлического блеска, затем промывают в течение 1...2 мин в кипящем 10%-ном растворе каустической соды в горячей воде. Непосредственно перед лужением поверхности детали покрывают флюсом (хлористым цинком) посредством волосяной кисти, войлока или пакли и сверху посыпают порошком нашатыря, затем нагревают до температуры плавления олова так, чтобы наносимый на деталь припой – олово или другой сплав в виде маленьких кусочков или порошка – плавился и растекался по поверхности (рис.15.10, а). Когда припой от соприкосновения с нагретой поверхностью детали начнет плавиться, его сразу растирают паклей или холщовой тряпкой, пересыпанной порошком нашатыря. Растирание (рис.15.10, б) производят так, чтобы припой распределялся равномерным слоем по всей поверхности обработки. После этого нагревают и в таком же порядке лудят другие места.

Правильно обработанная поверхность имеет светлый, блестящий вид. Наличие желтоватой окраски указывает на плохое качество лужения. В этих местах производят повторную зачистку, покрытие флюсом и лужение. После остывания деталь тщательно промывают, чистят влажным песком, еще промывают и сушат.

Припой нагревают в ванне до температуры 270...300⁰С, насыпая на его поверхность мелкие кусочки древесного угля, что предохраняет от окисления. Качество лужения проверяют внешним осмотром поверхности. Отсутствие мест, не покрытых припоем, вздутий или мелких пузырьков, отслаивания, темных или желтых пятен говорит о хорошем качестве лужения.

15.1 Типичные дефекты при паянии, причины их появления

и способы предупреждения

Таблица 16

Контрольные вопросы:

1. От чего зависит выбор марки мягкого припоя?

2. Какую роль выполняет флюс при паянии и от чего зависит выбор его состава?

3. Почему при паянии изделий медицинского и пищевого назначения допустимо применение только припоя ПОС-90?

4. Почему при припаивании пластин твердого сплава необходима обвязка соединяемых заготовок проволокой?

5. В чем отличие паяния в защитных средах или в вакууме от паяния на воздухе?

15.2 Склеивание

Склеивание является современным методом получения неразъемных соединений заготовок с помощью введения между сопрягаемыми поверхностями слоя специального вещества (клея), которое способно непосредственно скреплять эти заготовки. Важным преимуществом склеивания является возможность получения соединения из неоднородных металлов, а также неметаллических материалов.

При склеивании можно избежать появления внутренних напряжений и деформаций соединяемых заготовок. Недостатком клеевых соединений является их низкая термостойкость (менее 100⁰С), склонность к ползучести (смещению одной части склеенной заготовки относительно другой) при длительном воздействии сдвигающих усилий, а также длительная выдержка для полимеризации клея в соединениях. Склеивание применяется для соединения металлических и неметаллических заготовок (в том числе и труб), заделки трещин и раковин в деталях, восстановления неподвижных посадок и для целого ряда других работ, связанных с созданием неподвижных неразборных соединений.

Технологический процесс склеивания для всех видов соединяемых материалов и всех видов клеев состоит, как правило, из следующих этапов:

- подготовка поверхности к склеиванию,

- подготовка клея,

- нанесение клея на склеиваемые поверхности,

- выдержка нанесенного слоя клея,

- сборка (соединяемых) склеиваемых заготовок,

- выдержка соединения при определенной температуре и давлении,

- очистка шва от подтеков клея,

- контроль качества клеевых соединений.

Наиболее широко применяемые марки клеев приведены в таблице 17.

Таблица 17 - Марки клеев

Подготовка поверхности к склеиванию сводится к механической подгонке, приданию необходимой шероховатости склеиваемым поверхностям, очистке от грязи и масла и тщательному обезжириванию. Выбор инструмента для механической подготовки и придания необходимой шероховатости зависит от типа клеевого соединения. Для механической подгонки, придания заданной шероховатости и механической очистки используются напильник, надфили, наждачная бумага и методы станочной обработки (точение, шлифование, фрезерование и т.п.).

Наносимый на поверхности слой клея должен быть равномерным, без пузырьков воздуха. Клеи в зависимости от назначения могут быть жидкими, пастообразными или в виде клеящей пленки. Наиболее удобны клеящие пленки, которые не требуют специального регулирования клеящего слоя. Вручную клей наносится кистью или шпателем, жидкие клеи можно наносить пульверизатором. Во время выдержки после нанесения клея происходит испарения из него влаги и летучих веществ, в результате чего клей приобретает нужную вязкость и уменьшается усадка клеевого шва.

Совмещение склеиваемых заготовок, исключающие их самопроизвольное смещение, осуществляется при помощи струбцин и других зажимных приспособлений. Процесс склеивания и полимеризации должен происходить при определенных условиях: давление – 0, 3...1 МПа, температура – 5...30⁰С, время выдержки – от 20 мин до 72 ч. Для создания необходимых условий используются механические, пневматические и гидравлические прессы и специальные установки с электрическим или газовым подогревом. Возможно использование для нагрева соединяемых заготовок открытого пламени газовых или бензиновых горелок.

Контроль клеевого соединения осуществляется визуально, а также путем испытания его на герметичность и прочность. Соединение считается выполненным удовлетворительно, если при контроле на прочность разрушение происходит не по клеевому шву, а по основному материалу.

Соединение трубопроводов различного назначения при помощи клеев позволяет по сравнению с резьбовыми и сварными работами в два-три раза сократить трудовые и энергетические затраты. Для склеивания стальных трубопроводов разработаны специальные эпоксидные клеи, составы которых приведены в таблице 18. Различают четыре типа составов эпоксидных клеев. Составы типов I и II предназначены для клеевых соединений бандажного типа; состав типа III - для клеемеханических соединений; состав типа IV - для муфтовых и раструбных соединений.

Таблица 18 - Составы эпоксидных клеев в зависимости от типа

Для выполнения соединений трубопроводов применяются различные материалы, выбор которых зависит от назначения соединения. Краткие характеристики и назначение этих материалов приведены в таблице 19.

15.3 Характеристика и назначение материалов, используемых для

выполнения соединений трубопроводов

Таблица 19

Клеевые соединения бандажного типа (рис. 15.11, а, б ) выполняются путем многослойной намотки на концы стыка стальных труб ленты из стеклоткани с нанесенным на ее поверхность слоем эпоксидного клея. Фиксация взаимного положения стыкуемых труб обеспечивается за счет применения струбцин с призмами, бандажа из металлической ленты, опор и подвесок. Зачистка концов труб перед склеиванием осуществляется на участках длиной не менее 0, 7 диаметра. Зачищенные поверхности перед склеиванием обезжириваются ацетоном или бензином для улучшения соединения клея с металлом. Клеевой состав готовят, смешивая компаунд (основные компоненты клея) с отвердителем. Намотка подготовленной ленты с нанесенным на нее клеевым составом на концы соединяемых труб выполняется вручную в радиальном направлении туго и без перекосов. Середина ленты при этом должна располагаться в месте стыка труб. Для получения необходимой прочности и герметичности соединение должно быть выдержано при температуре окружающего воздуха 5... 17°С в течение четырех суток, при температуре 17... 25 °С - в течение двух суток. Для сокращения времени выдержки и увеличения прочности клеевого соединения применяются искусственные условия выдержки при температуре 80 °С в течение трех часов или при температуре 120°С в течение полутора часов. Склеенные таким образом трубы перемещаются только с помощью переноски; категорически запрещается перемещать их волоком или сбрасывать с высоты.

Для получения клеемеханических соединений (рис. 15.11, б) клей наносится на наружную поверхность конца трубы и внутреннюю поверхность раструба или муфты. После нанесения клея прямой конец трубы заводится в раструб или муфту и обжимается по периметру. После обжатия происходит отвердение клея. Длина нахлестки (длина участка трубы, входящая в раструб или муфту) должна составлять не менее 1, 2 диаметра трубы.

Раструбные и муфтовые соединения труб (рис. 15.11, г) от клеемеханических отличаются тем, что обжатие муфты или раструба не выполняется.

Основным дефектом клеевого соединения является его недостаточная прочность, которая может быть вызвана следующими причинами:

• плохой очисткой склеиваемых поверхностей;

• неравномерным нанесением клея на склеиваемые поверхности (недостаток или избыток клея на отдельных участках);

• отвердением клея до соединения поверхностей;

• недостаточным давлением на детали при склеивании;

• недостаточным температурным режимом и недостаточным временем просушивания соединения.

Для устранения этих недостатков необходимо очистить поверхность от клея, вновь очистить и обезжирить ее, а также соблюдать температурный и временной режим при выполнении клеевых соединений.

Контрольные вопросы:

1. От чего зависит выбор клея для выполнения клеевого соединения?

2. С какой целью выполняется зачистка и обезжиривание поверхностей, подлежащих склеиванию?

3. В чем особенность выполнения клеевых соединений труб?

Тема 16 Термическая обработка

Студент должен:

знать:

- виды термообработки;

- назначение закалки, отпуска, нормализации, охлаждения.

уметь:

- выполнять закалку деталей в соответствии с техническими условиями;

- назначать температурный режим по диаграмме Fе₃С.

Оснащение рабочего места: муфельная печь; клещи, очки, рукавицы, охлаждающие жидкости, детали, диаграмма состояния Fе₃С.

Термической обработкой металлов и сплавов называется процесс изменения внутреннего строения (структуры) металлов и сплавов путем нагрева, выдержки и последующего охлаждения с целью получения металлов и сплавов с необходимыми свойствами.

Термической обработке подвергают заготовки (кованые, штампованные, литые и др.) и готовые детали. Заготовки подвергают термической обработке в целях улучшения их структуры и снижения твердости, а обрабатываемые детали – для придания им необходимых свойств: твердости, прочности, износостойкости, упругости и др.

Изменяя температуру и продолжительность нагрева, температуру и продолжительность выдержки и скорость охлаждения, можно сообщить стали одного и того же химического состава самые разнообразные свойства, т.е. делать ее твердой или мягкой, в различной степени пластичной, хрупкой и т.п. Совокупность этих условий называется режимом термической обработки.

В зависимости от температуры нагревания и условий охлаждения различают следующие виды термической обработки: отжиг, нормализация, закалка и отпуск. Они имеют различные назначения и отличаются друг от друга скоростью и температурой нагрева, временем выдержки при этой температуре и скоростью охлаждения. Температура нагрева при отжиге, нормализации и закалке зависит от содержания углерода.

Отжигом называют такую операцию, при которой сталь нагревают до определенной температуры, выдерживают при этой температуре и затем медленно охлаждают вместе с печью. Отжиг повышает обрабатываемость стали резанием, а также обрабатываемость без снятия стружки.

Целью отжига является:

- уменьшение внутренних напряжений в деталях после механической (горячей или холодной) обработки – низкотемпературный отжиг;

- устранение нежелательного изменения в структуре, вызванного обработкой, - полный отжиг;

- изменение структуры в целях облегчения условий обработки резанием, т.е. уменьшение сопротивления стали резанию, - неполный отжиг.

Низкотемпературный отжиг. Неравномерность охлаждения стального проката или поковок приводит к образованию внутренних напряжений в металле, которые, в необработанной заготовке не проявляются и обнаруживаются только при односторонней ее обработке. Волочение, прокатка, строгание, точение, фрезерование и др. вызывают возникновение в заготовке внутренних напряжений, которые должны быть уменьшены или полностью устранены перед закалкой изделия. В таких случаях достаточно нагреть заготовку до температуры 500-600⁰С.

Полный отжиг применяют главным образом после горячей обработки деталей (ковки и штамповки), а также для обработки литья из углеродистых и легированных сталей. Основной целью полного отжига кованых и литых деталей является измельчение зерна. Полный отжиг осуществляется путем нагрева стали на 30-50⁰С выше линии GSK (точка А_с3) (рис. 16.1), выдержки при этой температуре и последующего медленного охлаждения вместе с печью. Время выдержки при нагреве должно быть достаточным для прогрева изделий по всему сечению.

Неполный отжиг. Если до отжига структура стали удовлетворительная, но сталь обладает повышенной твердостью и в деталях имеются внутренние напряжения, применяют неполный отжиг. При неполном отжиге сталь нагревают до температуры, на 30-40⁰С превышающей нижнюю критическую точку А_с1, т.е. до 750-760⁰С. Замедленное охлаждение или длительная выдержка стали при температурах 680-750⁰С способствуют образованию крупнозернистости, облегчающей обрабатываемость стали.

Для мягких сталей с содержанием углерода до 0, 4-0, 5% неполный отжиг применяется редко. Для инструментальных сталей неполный отжиг является единственным видом отжига. Он способствует снятию внутренних напряжений и улучшению обрабатываемости.

Изотермический отжиг в отличие от полного отжига заключается в том, что сталь нагревают до температуры на 30-50⁰С выше точки А_с3 (конструкционные стали) или выше точки А_с1 на 50-100⁰С (инструментальные стали) и после выдержки охлаждают в расплавленной соли до температуры ниже точки А_r1 на 30-100⁰С (680-700⁰С). При этой температуре сталь подвергают выдержке, а затем охлаждают до комнатной температуры. Температура изометрической выдержки (650-700⁰С) оказывает значительное влияние на свойство стали.

Основное преимущество изометрического отжига состоит в том, что он позволяет сократить длительные циклы, применяемые при указанных отжигах деталей из легированной стали, которые требуют очень медленного охлаждения для снижения твердости.

Диффузионный отжиг (гомогенизацию) применяют, чтобы выровнять (путем диффузии) химический состав стали в слитках и крупных отливках. Диффузионный отжиг осуществляют при высоких температурах (1100-1200⁰С) с выдержкой от 10 до 15ч при этой температуре, а затем медленно охлаждают до 600-550⁰С.

Сталь, прошедшая диффузионный отжиг, обладает более высокими механическими свойствами, особенно повышается ударная вязкость.

Отжиг на зернистый перлит применяют для сталей, содержащих более 0, 65% углерода, с целью понизить их твердость и улучшить обрабатываемость резанием. Для отжига сталь нагревают немного выше А_с1 и после выдержки при рабочей температуре в течение 3-5ч медленно охлаждают (со скоростью 30-50⁰С в час) сначала до 700⁰С, затем до 650-600⁰С и далее на воздухе.

Рекристаллизацинный, или низкий, отжиг применяют для исправления искажений кристаллической решетки, полученных при холодной прокатке, волочении или холодной штамповке. Отжиг производят нагреванием стали до температуры ниже точки А_с1 (630-650⁰С) с выдержкой при этой температуре и медленным охлаждением, в результате чего вместо деформированной (вытянутой) структуры получают мелкозернистую, равноосную, мягкую и вязкую структуру.

Нормализацией называется операция нагрева стали на 30-50⁰С выше линии GSE (точки А_с3 – для конструкционной стали или А_ст – для инструментальной стали) с выдержкой при этой температуре и последующим охлаждением на воздухе.

Нормализации подвергаются штампованные и кованные заготовки из углеродистой и легированной стали. Цель нормализации – улучшение микроструктуры стали, повышение механических свойств и подготовка к последующей термической обработке. Нормализацией можно исправить структуру после ковки и штамповки деталей, уничтожить последствия перегрева после сварки деталей и снять напряжения в сварном шве. После нормализации отливки имеют высокий предел текучести и прочности, а также повышенную ударную вязкость. Для некоторых марок углеродистой и специальных сталей нормализация является окончательной операцией термической обработки, так как в результате нормализации сталь приобретает требуемые свойства.

Закалкой называют такую операцию термической обработки, при которой сталь нагревают до температуры, несколько выше критической, выдерживают при этой температуре и затем быстро охлаждают в воде, масле, водных растворах солей и др.

Цель закалки – получение стали с высокими твердостью, прочностью, износоустойчивостью и другими важными свойствами, повышающими эксплуатационную надежность и долговечность обрабатываемых деталей и инструмента. Качество закалки зависит от температуры и скорости нагрева, времени и скорости охлаждения.

Температуры нагрева. При закалке конструкционные стали нагревают на 20-40⁰С выше линии GS (точки А_с3), а инструментальные стали – на 30-50⁰С выше линии PSK (точки А_с1), выдерживают в течение времени, необходимого для выравнивания температуры по всему сечению детали, и быстро охлаждают.

Быстрорежущие, нержавеющие и другие высоколегированные стали закаливают при более высоких температурах нагрева: быстрорежущую сталь Р18 закаливают при температуре 1260-1280⁰С, а нержавеющую сталь (например, 4Х13) – при температуре 1050-1100⁰С.

При выборе режимов закалки пользуются соответствующими справочниками.

Допускаемая скорость нагрева металла при термической обработке зависит от типа нагревательного устройства, массы одновременно нагреваемого металла, его химического состава, теплопроводности, степени однородности и чистоты, а также формы, размеров деталей и температуры нагрева.

Увеличение скорости нагрева сокращает длительность термической обработки, повышается производительность оборудования, уменьшается угар металла и т.д.

Чем больше в стали углерода и легирующих элементов, чем сложнее форма и больше размеры детали, тем медленнее должен осуществляться нагрев во избежание возникновения больших внутренних напряжений, которые вызовут коробление и даже образование трещин в деталях.

Для медленного нагрева детали загружают в холодную печь (медленный нагрев вместе с печью). При загрузке деталей в печь, имеющую температуру заданного режима термообработки, достигается высокая скорость нагрева. Таким методом главным образом нагревают мелкие детали – пружины, шпильки, гайки и т.п.

Медленно нагревают детали до температуры 500-600⁰С, затем процесс нагрева ускоряют, так как внутренние напряжения в деталях из-за разности температур уже не будут возникать. Время нагрева инструментальных углеродистых и среднелегированных конструкционных сталей больше, чем конструкционных углеродистых сталей, на 25-50%, а высоколегированных на 50-100%.

После нагрева до заданной температуры детали выдерживают в течение определенного промежутка времени для выравнивания температуры по всему сечению детали и завершения структурных превращений.

Закалочные среды применяют следующие: воду, водные растворы солей, расплавленные соли и минеральные масла (веретенное 2 и 3; машинное Л, С, СУ и трансформаторное).

Закалочную среду выбирают с учетом химического состава стали. Нужно иметь в виду, что единой универсальной среды для закалки стали нет, поэтому пользоваться следует различными средами. В качестве закалочных сред используют также 5-10%-ный раствор едкого натра или поваренной соли, при этом скорость охлаждения стали в два раза больше.

Способы закалки. Основными способами закалки являются: закалка в одном охладителе, в двух средах, ступенчатая, с подстуживанием, самоотпуском и изометрическая.

Закалка в одном охладителе состоит в погружении нагретых изделий в жидкость (вода для углеродистых сталей, масло для легированных), где оставляют их до полного охлаждения. Такой способ закалки применяется для закалки изделий простой формы.

Недостаток его заключается в том, что в результате большой разницы в температурах нагретого металла и охлаждающей среды в деталях возникают большие внутренние напряжения, называемые термическими, которые вызывают трещины и коробления и другие дефекты.

Закалка в двух средах, или прерывистая закалка, состоит в следующем. Нагретые детали сначала быстро охлаждают в воде до температуры 300-400⁰С, а затем быстро переносят для полного охлаждения в масло. Такую закалку применяют обычно для высокоуглеродистых инструментальных сталей. Недостаток прерывистой закалки состоит в том, что трудно установить время пребывания детали в первой среде, так как оно очень мало (1 сек на каждые 5-6 мм сечения детали). Излишняя выдержка в воде вызывает коробление и появление трещин.

Ступенчатая закалка, предложенная русским ученым-металлургом Д.К.Черновым, заключается в том, что нагретые детали сначала охлаждают в расплавленной соли или в масле (температура которых должна быть 240-250⁰С), выдерживают в этой среде, а затем переносят для окончательного охлаждения на воздух.

Ступенчатую закалку широко применяют в массовом производстве, особенно при изготовлении инструмента с небольшим сечением, требующего высокой твердости. Этот способ дает закалку с минимальными внутренними напряжениями, а следовательно, уменьшает опасность коробления и образования трещин.

Наиболее хорошо поддаются ступенчатой закалке глубоко прокаливающиеся углеродистые и легированные стали 9ХС, ХГ, ХВГ и др.

Закалка с подстуживанием применяется для уменьшения разницы в температурах металла и закалочной среды, если нагрев детали проведен до температуры, значительно превышающей температуру закалки данной стали.

Нагретую деталь перед погружением в закалочную среду выдерживают (подстуживают) некоторое время на воздухе. При подстуживании необходимо, чтобы температура детали не опускалась ниже точки Аr3 для конструкционных сталей и ниже точки Аr1 для инструментальных. Цель этого способа закалки – уменьшение внутренних напряжений и коробления деталей, особенно цементованных.

Закалка самоотпуском состоит в том, что нагретую деталь выдерживают в охлаждающей среде не до полного охлаждения; иногда в закалочную среду погружают только часть детали, для которой требуется высокая твердость.

В некоторый момент охлаждение прерывают, чтобы сохранить в сердцевине детали тепло, за счет которого осуществляется отпуск. Этот момент устанавливается опытным путем, качество закалки в этом случае зависит от мастерства термиста.

Контроль за температурой отпуска при этом способе закалки осуществляется по так называемым цветам побежалости, возникающим на поверхности детали при температуре 220-330⁰С.

Закалку с самоотпуском применяют только для обработки ударного инструмента – зубил, бородков, кернеров и др., так как у такого инструмента твердость должна равномерно и постепенно понижаться от рабочей части к хвостовой.

Изотермическая закалка – наиболее прогрессивный способ закалки, его применяют в том случае, когда нужно изготовить деталь с максимальной прочностью, достаточной пластичностью и вязкостью. Сталь, нагретую на 20-30⁰С выше линии GSK (точка А_с3), быстро охлаждают в соляной ванне, имеющей температуру 250-300⁰С, выдерживают в этой горячей среде (изотермическая выдержка), а затем деталь охлаждают на воздухе.

Этот способ закалки позволяет снизить термические напряжения, так как после изотермической выдержки структурные изменения в стали уже не происходят. Изотермическую закалку применяют для пружин, рессор, болтов, труб и других изделий из легированных сталей 6ХС, 9ХС, ХВГ и др.

Патентирование стали состоит в нагреве деталей до температуры 800-900⁰С, выдержке и охлаждении в ваннах с расплавленным свинцом (500 - 600⁰С) и последующей обработке давлением. После патентирования сталь приобретает высокую прочность, обладает высокой упругостью и хорошей пластичностью.

При обычном охлаждении закаливаемых деталей необходимо соблюдать следующие правила:

- количество охлаждающей жидкости должно быть достаточным, чтобы температура ее мало изменялась во время охлаждения закаливаемых деталей;

- перед погружением нагретой детали охлаждающую среду (воду, масло) необходимо тщательно перемешать для выравнивания температуры;

- для удаления образующейся вокруг погружаемой в жидкость детали паровой рубашки, препятствующей свежему притоку воздуха, обрабатываемую деталь следует перемещать в вертикальном и горизонтальном направлениях;

- тонкие длинные детали во избежание коробления нельзя охлаждать, опуская в жидкость плашмя, так как нижние слои металла, охлаждаясь первыми, сжимаются. Детали с неодинаковым сечением следует погружать более толстой частью вниз.

Приемы погружения деталей при закалке показаны на рис.16.2. На образование трещин оказывает влияние форма углов у детали. Поэтому углы, особенно острые, необходимо закруглять и тщательно обрабатывать.

Угольник с прямым углом после закалки образует трещины, если не просверлить во внутреннем углу отверстия и не сделать подрезки. Зубья шлицевого валика охлаждаются быстрее сердцевины и уменьшаются в объеме быстрее, чем стержень. Поэтому в углах зубьев создаются сильные напряжения, вызывающие трещины.

Часто требуется, чтобы деталь машины имела очень твердую износостойкую поверхность, но чтобы ее сердцевина при этом оставалась вязкой, прочной, хорошо переносила удары и знакопеременные нагрузки. К таким деталям относятся зубчатые колеса, шейки коленчатых валов и другие стальные тяжелые детали.

Из существующих способов поверхностной закалки наибольшее промышленное применение имеют: пламенная закалка, закалка токами высокой частоты (ТВЧ), а также закалка в электролитах.

Пламенная закалка. Поверхность стального или чугунного изделия подвергается нагреву ацетилено-кислородным пламенем до температуры, превышающей на 50-60⁰С верхнюю критическую точку А_с3 с последующим быстрым охлаждением водяным душем (струя воды).

Сущность процесса пламенной закалки состоит в том, что тепло, проводимое газовым пламенем от горелки к закаливаемой детали, концентрируется на ее поверхности и значительно превышает количество тепла, распространяемого в глубь металла. В результате этого поверхность детали сначала быстро нагревается до температуры закалки, затем охлаждается, а сердцевина остается незакаленной и после охлаждения не изменяет свою структуру и твердость.

Для пламенной закалки поверхности применяются разнообразные устройства – от простых ручных до сложных автоматов. Обычная кислородно-ацетиленовая горелка непригодна, поэтому применяют щелевые или форсуночные горелки, состоящие из большого количество сопел, или же горелки, имеющие смесительную камеру и несколько отверстий. В горелках сжигают ацетилен или светильный газ, оба газа применяют с кислородом.

Охлаждающим средством служит вода. Если закаливаемая деталь не слишком тонка или не имеет сложной конфигурации, то нет опасности образования трещин, поскольку одновременно закаливаются обычно небольшие поверхности.

Качество пламенной закалки поверхности зависит, прежде всего, от температуры пламени и от того, насколько правильно охлаждение струей воды. Глубина и температура нагрева регулируются скоростью перемещения горелки и расстоянием горелки от изделия.

Закаленный слой получает высокую твердость HRC 56-57 и остается чистым, без следов окисления и обезуглероживания. Переход структуры от поверхности к сердцевине плавный, что повышает эксплуатационную стойкость детали и полностью устраняет вредные явления – растрескивание и отслоение закаленных слоев. Другим достоинством этого способа является простота и низкая стоимость оборудования, отсутствие обезуглероживания и окисления.

Недостатком ацетилено-кислородной закалки является трудность регулирования температуры нагрева и глубины закаленного слоя, возможность перегрева поверхностного слоя.

Закалка в электролите. При этом способе, предложенном советским инженером И.З.Ясногородским, изделие помещают в электролит 4 (5%-ный раствор Na₂SO₃). Корпус 5 (рис.16.4) ванны является анодом, деталь 1 служит катодом. Постоянный ток поступает от генератора 3. При прохождении через электролит тока напряжением 220-380в и плотностью 3-4 а/см² выделяется водород, который осаждается на поверхности детали. Оседание пузырьков 2 водорода резко повышает электросопротивляемость изделия, и поверхность детали нагревается до 900-940⁰С. После этого ток выключают, а деталь закаливают в самом электролите или в закалочном баке.

		1 - деталь, 2 - пузырьки, 3 - генератор, 4 - электролит, 5 - корпус Рисунок 16.4 Закалка в электролите

Закалка в электролите проста, позволяет нагревать отдельные места детали, например торца, дает возможность автоматизировать процесс. К недостаткам этого способа относятся трудность регулирования температуры, низкая производительность, ограниченное число деталей, поддающихся закалке, и необходимость предохранения их от коррозии.

Поверхностная закалка токами высокой частоты дает возможность в короткое время получить на изделии хорошо сопротивляющийся износу поверхностный слой при мягкой и вязкой сердцевине. Этот способ разработан В.П.Вологдиным. При закалке нагреваемое изделие помещают внутри медной спирали, по которой пропускается ток высокой частоты. Этот ток создает вокруг спирали сильное переменное магнитное поле, поэтому в стальном изделии индуктируются вторичные короткозамкнутые (вихревые) токи, которые сосредоточены только на поверхности изделия и нагревают его на определенную глубину. Чтобы спираль первичного тока не нагревалась, ее делают из медной трубки, через которую пропускают воду. Такие спирали называются индукторами.

Индукторы могут иметь несколько витков или один, охватывающий нагреваемое изделие. Форма индуктора должна соответствовать форме закаливаемого изделия.

Для получения тока высокой частоты применяются машинные и ламповые генераторы. Скорость и температура нагрева зависят от зазора между индуктором и нагреваемой деталью: чем меньше этот зазор, тем быстрее деталь нагревается до заданной температуры. Обычно зазор между индуктором и нагреваемой деталью составляют 2-5 мм.

В зависимости от формы, размеров закаливаемых деталей и предъявляемых к ним требований различают три способа высокочастотной закалки.

Для закалки небольших деталей применяют способ одновременной закалки (рис.16.5, а); вся поверхность закаливаемой детали находится в зоне действия индуктора и нагревается одновременно. Деталь в индукторе должна вращаться. После нагрева реле времени отключают индуктор от генератора и включается водяной душ, который одновременно охлаждает всю деталь.

Детали значительной длины закаливают непрерывно-последовательным способом (рис.16.5, б). Вал 1 вращается вокруг вертикальной оси и перемещается внутри индуктора 2 сверху вниз, последовательно проходя через зону нагрева и зону охлаждения закалочного устройства 3, к которому по шлангу 4 подается вода. Непрерывно-последовательную закалку стальных плит выполняют при помощи плоских индукторов (рис. 16.5, в).

Для закалки отдельных участков детали применяют способ последовательной закалки: поверхность нагревается и охлаждается по частям, например каждый зуб зубчатого колеса (рис.16.5, г).

Преимущества обработки деталей токами высокой частоты: высокая производительность и большая экономичность, более высокая твердость по сравнению с другими способами поверхностной закалки, возможность точного регулирования глубины закаленного слоя, отсутствие окалины и меньшее коробление закаленных деталей, возможность автоматизации процесса, улучшение условий труда рабочих и др.

Обработка холодом (при отрицательных температурах) является новым методом термической обработки, разработанным советскими учеными А.П.Гуляевым, С.С.Штейнбергом, Н.А. Минкевичем. Обработке холодом подвергают инструменты и детали, содержащие не менее 0, 6% углерода. Обычно этот метод применяют для инструментов, изготовленных из стали Р18, деталей – из цементируемых сталей 18ХНВА и из других легированных сталей. Обработку холодом применяют с целью повышения красностойкости и твердости стали.

Обработку холодом проводят сразу после остывания закаленных изделий до комнатной температуры путем их погружения в среду, имеющую температуру ниже нуля. После выдержки изделия извлекают на воздух. Выдержку при обработке холодом определяют временем, необходимым для полного охлаждения всего изделия и выравнивания температур по сечению. Охлаждают изделие до отрицательных температур в смеси твердой углекислоты (сухой лед со спиртом, дающий охлаждение до –78⁰С) либо в жидком азоте (-196⁰С). Кроме того, применяют холодильные установки, позволяющие изменять температуру рабочей камеры в больших пределах.

Отпуском называется процесс термической обработки, применяемый после закалки стали с целью устранения внутренних напряжений, уменьшения хрупкости, понижения твердости, увеличения вязкости и улучшения обрабатываемости.

Отпуск заключается в нагреве стали до температуры ниже линии PSK (точки А_с1), (см.рис.16.1), выдержке при этой температуре с последующим охлаждением в воде, масле или другой среде. В зависимости от температуры нагрева различают низкий, средний и высокий отпуск.

Низкий отпуск применяют для обработки режущего и измерительного инструмента, изготовленного из углеродистых и низколегированных сталей, шариков и роликов шарикоподшипников и др. Низкий отпуск осуществляют при температуре 150-250^оС с выдержкой при этой температуре и последующим охлаждением на воздухе.

В результате низкого отпуска сталь сохраняет высокую твердость HRC 60, устраняется хрупкость, снимаются внутренние напряжения.

Средний отпуск применяют для инструментов, которые должны обладать значительной прочностью и упругостью при средней твердости HRC 35-47, а также для некоторых деталей (пружин, рессор). Этот отпуск производится при температуре 300-500⁰С.

Высокий отпуск (500-600⁰С) применяется с целью полностью снять внутренние напряжения, придать деталям высокую вязкость при условии сохранения достаточной твердости. Высокому отпуску подвергаются детали машин из конструкционной стали, которые работают при больших напряжениях и ударах: зубчатые колеса, валы, шатуны и т.д.

Закалку и отпуск инструментов простых форм (бородков, кернеров, зубил и т.д.) обычно осуществляют с одного нагрева (закалкой с самоотпуском). Нагретый под закалку инструмент охлаждают не весь, а «замачивают» только его рабочую часть и, не вынимая из закалочной среды, перемещают в вертикальном направлении. Этим достигается равномерное изменение свойств металла. Отпуск рабочей части происходит после того, как инструмент вынут из охлаждающей жидкости, за счет тепла, сохранившегося в неохладившейся внутренней части инструмента. Рабочую часть инструмента быстро защищают старым напильником, куском обломного шлифовального круга или шлифовальной шкуркой. При появлении на поверхности рабочей части цвета побежалости, соответствующего необходимой температуре, инструмент вновь погружают в закалочную среду до полного охлаждения.

Таким образом, сердцевина инструмента, подвергнутого самоотпуску, будет иметь вязкость, необходимую, например, для зубила, которое должно выдерживать ударные нагрузки, испытываемые при рубке.

Старение закаленной стали. При низкотемпературном отпуске большая часть внутренних напряжений в закаленной стали остается. С течением времени они постепенно исчезают, в результате чего в металле наступает полное структурное равновесие. Самопроизвольное исчезновение внутренних напряжений при комнатной температуре весьма длительно и сопровождается изменением формы и размеров закаленных деталей. Этот процесс называют естественным старением. Изменение размеров в процессе естественного старения невелико и измеряется в микронах. Для деталей машин и режущего инструмента изменения размеров не имеют практического значения, поэтому их обычно не учитывают. Однако при изготовлении сверхточных машин, например координатно-расточных станков, измерительных калибров, даже такие небольшие изменения недопустимы. Чтобы размеры деталей и инструмента не изменялись с течением времени и оставались стабильными, их подвергают искусственному старению.

Сущность искусственного старения состоит в том, что закаленные и отпущенные при низкой температуре детали и инструмент после предварительного шлифования сначала подвергают нагреву до 100-150⁰С, затем выдерживают при этой температуре в течение 18-35 ч. При таком нагреве и выдержке все процессы, вызывающие изменение размеров стали, протекают значительно быстрее, чем при комнатной температуре. Поэтому после старения размеры деталей и инструмента стабилизируются.

Искусственное старение чаще всего производится в масляных ваннах. При отсутствии в цехе масляных ванн искусственное старение производят в кипящей воде с выдержкой в течение 36ч.

Техника безопасности при термической обработке. Работы по термической обработке металлов выполняют в соответствии с правилами техники безопасности, указанными в специальной инструкции.

16.1 Химико-термическая обработка стали

Химико-термической обработкой называется процесс изменения химического состава, структуры и свойств поверхностных слоев стальных деталей. Такой обработке часто подвергают детали с целью повышения твердости, износоустойчивости и коррозионной стойкости поверхностного слоя при сохранении вязкой и достаточно прочной сердцевины.

Наиболее распространенными видами химико-термической обработки являются цементация, азотирование, цианирование, а также диффузионная металлизация.

Кроме указанных видов обработки, также применяют хромирование (насыщение поверхности слоя хромом), силицирование (насыщение кремнием), борирование (насыщение бором).

Цементациейназывается процесс насыщения поверхностного слоя низкоуглеродистой стали углеродом. Цель цементации – получение высокой твердости поверхностного слоя деталей при сохранении вязкой и мягкой сердцевины, а также повышение износостойкости и предела усталости. Насыщенный углеродом поверхностный слой называется цементированным.

Цементации подвергают детали из углеродистой (иногда и легированной) стали, содержащей углерода от 0, 01 до 0, 25%.

Богатые углеродом смеси, применяемые для цементации, называются карбюризаторами. Они могут быть твердыми, жидкими и газообразными. От вида применяемого карбюризатора цементация разделяется на твердую, жидкую и газообразную.

Твердая цементация (в твердом карбюризаторе) является наиболее старым процессом химико-термической обработки. Карбюризатор представляет собой порошкообразную смесь, состоящую (по массе) из древесного угля (70%), углекислого бария (20-25%) и углекислого кальция (3-5%). Добавление к древесно