Реферат По дисциплине: На тему: «Научные основы технологии машиностроения» «Прогрессивные методы термической обработки в машиностроении» Исполнитель: Минск, 2023 Оглавление Введение .................................................................................................................. 3 ГЛАВА 1. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ ........................................................................ 4 ГЛАВА 2. ВИДЫ ТЕХНОЛОГИЙ ТЕМИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКИ ........... 5 2.1 Индукционный нагрев.................................................................................. 5 2.2 Лазерная обработка .................................................................................... 6 2.3 Электронно-лучевая обработка................................................................ 8 2.4 Плазменная обработка ............................................................................... 9 2.5 Вакуумная обработка ............................................................................... 12 ЗАКЛЮЧЕНИЕ ................................................................................................... 14 СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ ....................................... 15 2 Введение Термическая обработка является неотъемлемой частью производства в машиностроении. Это процесс, который позволяет изменять свойства материалов, делая их более прочными, устойчивыми к износу и коррозии. С течением времени технологии термической обработки постоянно совершенствуются, и появляются новые методы, которые позволяют достигать более высоких результатов в области механики и прочности материалов. Прогрессивные методы термической обработки в машиностроении - это современные технологии, которые позволяют достигать высоких результатов в области прочности, износостойкости и коррозионной стойкости материалов. Они основываются на использовании новых материалов, новых методов нагрева и охлаждения, а также на использовании компьютерных технологий для контроля процесса термической обработки. В данном реферате мы рассмотрим основные прогрессивные методы термической обработки в машиностроении, их особенности и преимущества. 3 ГЛАВА 1. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ Прогрессивные методы термической обработки в машиностроении это современные технологии, которые позволяют улучшить свойства металлических изделий и деталей, повысить их качество и долговечность. Эти методы используются в различных отраслях машиностроения, включая автомобильную, авиационную, судостроительную и другие. Одним из основных методов термической обработки является закалка. Она позволяет увеличить твердость и прочность металла, улучшить его устойчивость к износу и коррозии. В последние годы были разработаны новые методы закалки, такие как индукционная закалка и лазерная закалка. Они позволяют достичь более высоких показателей твердости и прочности металла за более короткий промежуток времени. Еще одним прогрессивным методом термической обработки является термическая обработка с использованием плазменной струи. Она позволяет улучшить свойства поверхности металла, увеличить его твердость и износостойкость. Этот метод используется в производстве деталей для авиационной и космической техники. Прогрессивные методы термической обработки в машиностроении имеют ряд преимуществ перед традиционными методами. Они позволяют достичь более высоких показателей качества и долговечности металлических изделий, сократить время производства и уменьшить затраты на материалы и энергию. Прогрессивные методы термической обработки играют важную роль в современном машиностроении. Они позволяют повысить качество и долговечность металлических изделий, что является ключевым фактором для повышения эффективности производства и конкурентоспособности предприятий. 4 ГЛАВА 2. ВИДЫ ТЕХНОЛОГИЙ ТЕМИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКИ Термической (или тепловой) обработкой называется совокупность операций нагрева, выдержки и охлаждения твёрдых металлических сплавов с целью получения заданных свойств за счёт изменения внутреннего строения и структуры. Тепловая обработка используется либо в качестве промежуточной операции для улучшения обрабатываемости давлением, резанием, либо как окончательная операция технологического процесса, обеспечивающая заданный уровень свойств изделия. Общая длительность нагрева металла при тепловой обработке складывается из времени собственного нагрева до заданной температуры и времени выдержки при этой температуре. Время нагрева зависит от типа печи, размеров изделий, их укладки в печи; время выдержки зависит от скорости протекания фазовых превращений. Нагрев может сопровождаться взаимодействием поверхности металла с газовой средой и приводить к обезуглероживанию поверхностного слоя и образованию окалины. Обезуглероживание приводит к тому, что поверхность изделий становится менее прочной и теряет твёрдость. Касаемо прогрессивных методов термической обработки в машиностроении, то к ним можно отнести такие виды термической обработки как: индукционный нагрев, лазерная обработка, электронно-лучевая обработка, плазменная обработка и вакуумная обработка. 2.1 Индукционный нагрев Индукционный нагрев - это метод термической обработки, который использует электромагнитное поле для нагрева металлических деталей до высоких температур. Этот метод основан на принципе электромагнитной индукции, согласно которому изменяющееся магнитное поле в проводнике создает электрический ток внутри него. Процесс индукционного нагрева начинается с размещения металлической детали внутри индукционной катушки, которая подключена к источнику переменного тока. При подаче тока через катушку создается переменное магнитное поле, которое проникает внутрь металлической детали и вызывает появление в ней электрического тока. Электрический ток, протекающий через металлическую деталь, создает сопротивление, которое приводит к ее нагреванию. Чем выше сопротивление 5 материала, тем больше тепла он выделяет. Таким образом, индукционный нагрев обеспечивает быстрое и равномерное нагревание металла, что приводит к более высоким свойствам материала. Преимущества индукционного нагрева включают: - Быстрое и равномерное нагревание - Высокая точность и контроль процесса - Возможность нагревать только определенные части материала - Экономия времени и энергии по сравнению с другими методами термической обработки Индукционный нагрев широко используется в машиностроении для закалки, отжига, нормализации и других процессов термической обработки материалов. Одним из прогрессивных методов термической обработки в машиностроении является индукционный нагрев. Он используется для обработки металлических деталей различной формы и размера, таких как валы, шестерни, зубчатые колеса и другие. Индукционный нагрев позволяет быстро и равномерно нагревать материалы до высоких температур, что приводит к улучшению их механических свойств. Например, закалка стали при помощи индукционного нагрева позволяет повысить ее твердость и прочность. Кроме того, индукционный нагрев обеспечивает высокую точность и контроль процесса, что позволяет достичь оптимальных результатов при минимальных затратах времени и энергии. В машиностроении также используются другие прогрессивные методы термической обработки, такие как лазерная обработка и электронно-лучевая обработка. Они также позволяют достичь высокой точности и контроля процесса, что делает их незаменимыми в производстве сложных металлических деталей. 2.2 Лазерная обработка Лазерная обработка - это метод термической обработки, который использует лазерный луч для нагрева и обработки поверхности металлических деталей. Этот метод обладает рядом преимуществ перед другими методами термической обработки, так как он обеспечивает высокую точность и 6 контроль процесса, а также позволяет достигать оптимальных результатов при минимальных затратах времени и энергии. Процесс лазерной обработки начинается с фокусировки лазерного луча на поверхность металлической детали. Лазерный луч имеет высокую энергию, что позволяет быстро и равномерно нагреть поверхность детали до высоких температур. При этом происходит быстрое испарение материала, что приводит к удалению тонких слоев поверхности и созданию желаемой формы и размера. Лазерная обработка может использоваться для различных целей, таких как резка, сварка, маркировка, гравировка и т.д. Например, при помощи лазерной резки можно создавать сложные формы и контуры из металла с высокой точностью и качеством. Лазерная сварка позволяет соединять металлические детали без применения дополнительных материалов или сварочных швов. Одним из главных преимуществ лазерной обработки является ее высокая точность и контроль процесса. Лазерный луч может быть точно направлен на нужную поверхность, что позволяет достигать высокой точности и качества обработки. Кроме того, лазерная обработка позволяет использовать меньшее количество материала и энергии, что делает ее более экономичной и эффективной в использовании. Кроме того, лазерная обработка обладает высокой скоростью обработки, что позволяет сократить время производства и увеличить производительность. Она также обеспечивает высокую повторяемость результатов, что делает ее особенно полезной для серийного производства. Однако, лазерная обработка имеет свои ограничения. Например, она может быть ограничена толщиной материала, который может быть обработан. Также, она может привести к изменению свойств материала, таких как твердость или микроструктура, что может повлиять на его свойства и характеристики. В целом, лазерная обработка является эффективным и точным методом термической обработки, который находит широкое применение в различных отраслях. Она позволяет достигать высоких результатов при минимальных затратах времени и энергии, что делает ее особенно полезной для производства высококачественной продукции. 7 2.3 Электронно-лучевая обработка Электронно-лучевой называют обработку, при которой для технологических целей используют остросфокусированный пучок электронов, движущихся с большой скоростью. Метод электроннолучевой обработки (ЭЛО) основан на использовании тепла, выделяющегося при резком торможении потока электронов на поверхности обрабатываемой заготовки. При электроннолучевой обработке деталь помещают в гер­метическую камеру, в которой благодаря непрерывной работе ва­куумных насосов обеспечивается высокая степень разрежения (до 10-7 Па). Поскольку электроны не изменяют химических свойств твердого тела, то обработка ими в вакууме является существенным достоинством этого метода, так как при обработке не проис­ходит химического загрязнения материала заготовки. Существенным для использования в технике электронного луча для обработки материалов является простота получения большого количества свободных электронов. Если нагреть в вакууме металли­ческую, например танталовую или вольфрамовую, проволоку, то с ее поверхности излучаются электроны (термоэлектрон­ная эмиссия), число и скорость которых зависят от температуры нагрева. Кинетическая энергия этих электронов, беспорядочно дви­жущихся в пространстве, окружающем эмиттер, сравнительно не­велика. Ее можно существенно повысить путем ускорения движе­ния электронов в определенном направлении воздействием элек­трического поля, создаваемого высокой разностью потенциалов между эмиттером, являющимся в данном случае катодом и анодом. Для этого используют специальное устройство - электронную пушку, которое вместе с электронно-оптической системой создает остросфокусированный пучок электронов, излучаемых катодом, ускоряемый в ва­кууме электрическим полем с разностью потенциалов до 150 кВ. Скорость электронов при этом может достигать 100 тысяч км/с и более. Съем металла с поверхности за счет испарения и взрывного вскипа­ния - физическая основа размерной ЭЛО. Пары материала, покидая зону обработки, производят давление - от­дачу, углубляя зону расплава. В связи с этим при ЭЛО возможно получить глубокое ("кинжальное") проплавление или сварку соединений, а при размерной ЭЛО - глубокие отверстия. 8 2.4 Плазменная обработка Плазменная обработка: Плазменная обработка используется для создания покрытий на поверхности материалов, которые улучшают их свойства. Плазменная обработка также может использоваться для поверхностной обработки материалов, таких как закалка и отжиг. Плазменная обработка получила широкое распространение вследствие высокой по промышленным стандартам температуры плазмы (~ 104 К), большого диапазона регулирования мощности и возможности сосредоточения потока плазмы на обрабатываемом изделии; при этом эффекты плазменной обработки достигаются как тепловым, так и механическим действием плазмы (бомбардировкой изделия частицами плазмы, движущимися с очень высокой скоростью - так называемый скоростной напор плазменного потока). Удельная мощность, передаваемая поверхности материала плазменной дугой, достигает 105-106 Вт/см2, в случае плазменной струи она составляет 103-104 Вт/см2. В то же время тепловой поток, если это необходимо, может быть рассредоточен, обеспечивая «мягкий» равномерный нагрев поверхности, что используется при наплавке и нанесении покрытий. Физическая сущность процесса: Плазмой называется газ, значительная часть которого ионизована. При сильном нагревании любого вещества оно превращается в газ, при дальнейшем повышении температуры скорости движения частиц газа возрастают настолько, что при взаимных столкновениях их кинетической энергии достаточно для ионизации газа. Кроме термической ионизации можно осуществить фотоионизацию (при взаимодействии с электромагнитным излучением), ионизацию бомбардировкой газа заряженными частицами и др. В плазменном состоянии в веществе, помимо нейтральных молекул и атомов, присутствуют заряженные частицы электроны и ионы. Это делает плазму хорошим проводником электрического тока, что широко используется для различных практических целей. Для технологических целей плазма используется в основном тогда, когда требуется высокотемпературный концентрированный нагрев значительных объемов заготовки. В настоящее время в промышленности широко используется плазменная сварка, резка металлов; плазменная наплавка и напыление тугоплавких и сверх прочных металлов и сплавов, плазменная химия и т.п [2]. 9 Для технологических целей получение плазмы осуществляют в плазмотронах - специальных устройствах, в которых используется электрический дуговой разряд, тлеющий разряд, высокочастотные и сверхвысокочастотные разряды, протекающие в различных плазмообразующих газах. Для более точного определения плазмы используется понятие ее квазинейтральности. Квазинейтральность плазмы означает, что число положительных и отрицательных зарядов в ней почти одинаково, а возникающие в плазме электрические поля приводят к восстановлению равенства разноименных зарядов, если в силу каких либо причин это равенство нарушается. При уменьшении объема плазмы может наступить момент, когда число частиц будет настолько мало, что условие квазинейтральности не соблюдается. Объем, начиная с которого нарушается квазинейтральность плазмы, определяется так называемым дебаевским радиусом экранирования. Таким образом, чтобы плазма сохраняла квазинейтральность, ее линейные размеры должны намного превосходить дебаевский радиус . Для технологических нужд применяется плазма, в которой дебаевский радиус экранирования может достигать десятков метров. Степень ионизации плазмы - представляет собой отношении в плазме заряженных и нейтральных частиц. В реальных установках степень ионизации плазмы колеблется от 0 до 100%. В плазме температура составляющих ее частиц может быть различной. Поэтому вводят понятие электронной , ионной и температуры нейтральных частиц . В плазме разряда электроны, как более легкие частицы, быстрее набирают энергию от электрического поля и их температура выше. При низких давлениях плазмы разница между температурами электронов и ионов может достигать нескольких порядков. В технологических установках обычно применяют достаточно плотную плазму (n >), для нее можно практически считать, что ==. Температура плазмы в промышленных плазмотронах достигает значений в десятки тысяч градусов. В отличие от плазмы для управляемого термоядерного синтеза, где требуется температура в сотни миллионов градусов, плазму с температурой называют низкотемпературной. В промышленности наиболее часто встречаются плазмотроны, в которых используется электрический дуговой разряд или безэлектродный высокочастотный индукционный разряд. Если плазмотрон и изделие электрически связаны, то такая схема обработки называется плазменной дугой, а соответствующий плазмотрон называется плазмотроном прямого 10 действия. В этом случае эффективность нагрева изделия, как правило, выше, но изделие должно быть электропроводно. Область применения и достоинства обработки: Плазменный нагрев. Чаще всего используется для плазменномеханической обработки жаропрочных сталей и сплавов на основе молибдена, вольфрама и других материалов, при обработке которых при обычной температуре образуются микротрещины. Производится нагрев обрабатываемой детали с помощью плазмотрона, устанавливаемого непосредственно перед резцом. При нагреве детали ее пластичность увеличивается, а прочность снижается. Это позволяет также увеличить в несколько раз скорость обработки детали и уменьшить износ резцов. Плавление вещества. Широко используется в промышленности из-за простоты и высокой стабильности процесса. Наиболее распространенной является плавка в водоохлаждаемый кристаллизатор [8]. Таким образом получают сложнолегированные сплавы (например, инструментальные сплавы). Соответствующий подбор плазмообразующего газа позволяет получать небольшое содержание в сплаве оксидов и кислорода, что увеличивает пластичность металла и улучшает его механические свойства. Применение разбрызгивания расплавленного металла и его быстрого охлаждения позволяет получать малоразмерные капли, которые в дальнейшем используются в порошковой металлургии, для наплавки и т.д. Плазменное напыление. При плазменном напылении наносимый материал нагревается внутри плазмотрона, а затем осаждается на подложку, образуя на ней слой () м. Для улучшения сцепления напыляемых частиц с подложкой, проводится ее предварительный подогрев и создаются промежуточные химически активные покрытия. Напыление производится с целью улучшения коррозионной стойкости (для напыления применяется никель, кобальт), жаростойкости (оксиды алюминия и циркония), в качестве защитных покрытий часто применяются вольфрам, молибден, ниобий. Прочные поверхностные покрытия получают, используя ионную технологию покрытий с помощью плазменных ускорителей. В этом случае напыляемый материал ионизуют в электрическом разряде внутри плазмотрона, превращая его в плазму, которая с помощью электромагнитного поля ускоряется до значительных энергий по направлению к обрабатываемой поверхности. Добавляя в ионные потоки металла кислород, ацетилен или азот, получают покрытия сложного химического состава - оксиды, карбиды или нитриды. Такие покрытия используются для увеличения срока службы металлорежущего инструмента и штампов [3]. 11 Производительность процесса может достигать несколько килограммов напыляемого материала в час, а плотность напыления составляет обычно 80…90 % от плотности монолитного материала. Если проводится последующая термообработка, плотность напыленного слоя может быть несколько выше. Тонкие (до 0,1 … 0,3 мм) напыленные слои имеют большую плотность и лучшее сцепление с подслоем. Металлические покрытия из жаростойких металлов и сплавов, нанесенные плазменным напылением, применяются для деталей, работающих при высоких температурах в газовых потоках. Никелевые и кобальтовые напыленные слои повышают коррозионную стойкость конструкций. 2.5 Вакуумная обработка Вакуумная обработка - это метод обработки материалов, который осуществляется в условиях высокого вакуума. Вакуумный процесс позволяет убрать из окружающей среды все газы и другие примеси, что создает идеальные условия для обработки материалов. Процесс вакуумной обработки включает несколько этапов. Сначала материал помещается в вакуумную камеру, где создается высокий вакуум. Затем происходит обработка материала с использованием различных методов, таких как термическая обработка, напыление, электронно-лучевая обработка и другие. Одним из преимуществ вакуумной обработки является возможность контролировать окружающую среду и температуру, что позволяет достичь высокой точности и повторяемости процесса. Кроме того, вакуумный процесс может улучшить механические свойства материала, такие как прочность и твердость. Вакуумная обработка широко используется в различных отраслях, таких как электроника, медицина, автомобильная и авиационная промышленности. Например, вакуумное напыление используется для создания покрытий на поверхности материалов, которые улучшают их свойства и защищают от коррозии. Однако, вакуумная обработка также имеет свои ограничения. Например, процесс может быть дорогим из-за необходимости использования специального оборудования и высокой стоимости подготовки материала. Кроме того, некоторые материалы могут не подходить для вакуумной обработки из-за их химической стабильности или тепловой чувствительности. 12 В целом, вакуумная обработка является эффективным методом обработки материалов, который позволяет достичь высокой точности и повторяемости процесса. Он широко используется в различных отраслях и является ключевым элементом в производстве высококачественной продукции. 13 ЗАКЛЮЧЕНИЕ В заключение можно отметить, что прогрессивные методы термической обработки в машиностроении имеют огромный потенциал для улучшения качества и свойств материалов, используемых в производстве. Они позволяют достигать более высоких результатов в области прочности, износостойкости и коррозионной стойкости материалов, что является особенно важным в условиях современной промышленности. Среди наиболее перспективных прогрессивных методов термической обработки можно выделить методы индукционного нагрева, лазерной обработки, плазменной обработки, вакуумной обработки и электроннолучевой обработки. Они имеют широкий спектр применения в различных отраслях машиностроения, включая автомобильную, авиационную, судостроительную и другие. Однако, необходимо отметить, что использование прогрессивных методов термической обработки требует высокой квалификации и опыта со стороны специалистов, а также современного оборудования и технологий. Кроме того, применение этих методов может быть дорогостоящим, что также является фактором, который следует учитывать при выборе метода термической обработки. Тем не менее, прогрессивные методы термической обработки представляют собой важный инструмент для повышения качества и конкурентоспособности продукции в машиностроении. Их использование позволяет улучшить свойства материалов и создать более надежные и долговечные изделия. Поэтому, развитие и совершенствование этих методов является одним из ключевых направлений развития машиностроения в будущем. 14 СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ 1. Руководство по оборудованию цехов электрометаллизации и реставрации деталей машин электрометаллизацией по способу Е. М. Линник и Н. В. Катц, М., 1945 2. Арцимович Л.А. Что каждый физик должен знать о плазме. М.: Атомиздат, 1977. 3. Быковский Д.Г. Плазменная технология: опыт разработки и внедрения. Л.: Лениздат, 1980. 15
