Разработкатехнологического процесса термической обработки детали
Разработатьтехнологический процесс термической обработки стальной детали: Червяк руля.
Марка стали: Ст. 20ХНР
Твердость послеокончательной термообработки:
HRC 56-62 (пов.).
Цель задания:практическое ознакомление с методикой разработки технологического процессатермической обработки деталей (автомобилей, тракторов и сельскохозяйственныхмашин); приобретение навыков самостоятельной работы со справочной литературой,более глубокое усвоение курса, а также проверка остаточных знаний материала,изучаемого в 1 семестре.
Порядок выполнениязадания:
Расшифровать маркузаданной стали, описать ее микроструктуру, механические свойства доокончательной термообработки и указать, к какой группе по назначению онаотносится.
Описать характер влиянияуглерода и легирующих элементов заданной стали на положение критических точекАс1 и Ас3, Асm. Рост зерна аустенита,закаливаемость и прокаливаемость, на положение точек Мн и Мк, на количествоостаточного аустенита и на отпуск. При отсутствии легирующих элементов взаданной марке стали описать влияние постоянных примесей (марганца, кремния,серы, фосфора, кислорода, азота и водорода) на ее свойства.
Выбрать и обосноватьпоследовательность операции предварительной и окончательной термообработкидеталей, увязав с методами получения и обработки заготовки (литье, ковка илиштамповка, прокат, механическая обработка).
Назначить и обосноватьрежим операций предварительной и окончательной термообработки деталей(температура нагрева и микроструктура в нагретом состоянии, охлаждающая среда).
Описать микроструктуру имеханические свойства материала детали после окончательной термообработки.
1.Расшифровка марки стали
Сталь марки 20ХНР:хромоникелевая сталь с содержанием углерода 0,20%, до 1% хрома, никеля и бора. Хромоникелевыестали являются высококачественными конструкционными сталями.
В хромоникелевые сталивводят хром и никель. Никель является дорогой смесью. Хромоникелевые сталиявляются наилучшими конструкционными сталями; они обладают высокой прочностью ивязкостью, что особо важно для деталей, работающих в тяжелых условиях.Хромоникелевые стали имеют высокую прокаливаемость.
К недостаткамхромоникелевых сталей относятся плохая обрабатываемость их резанием,обусловленная присадкой никеля, и большая склонность к отпускной хрупкостивторого рода. Хромоникелевые стали подвергают как цементации с последующейтермообработкой обработкой, так и улучшению. Хромоникелевые стали широкоприменяют в авиа- и автотракторостроении.
Хром является легирующимэлементом, он широко применяется для легирования. Содержание его вконструкционных сталях составляет 0,7 – 1,1%. Присадка хрома, образующегокарбиды, обеспечивает высокую твердость и прочность стали. После цементации изакалки получается твердая и износоустойчивая поверхность и повышенная посравнению с углеродистой сталью прочностью сердцевины. Эти стали применяютсядля изготовления деталей, работающих при больших скоростях скольжения и среднихдавлениях (для зубчатых колес, кулачковых муфт, поршневых пальцев и т.п.).Хромистые стали с низким содержанием углерода подвергают цементации споследующей термической обработкой, а со средним и высоким содержанием углерода– улучшению (закалке и высокому отпуску). Хромистые стали имеют хорошуюпрокаливаемость. Недостатком хромистых сталей является их склонность котпускной хрупкости второго рода.
Вид поставки: Сортовой прокат, в том числе фасонный:ГОСТ 4543-71. Калиброванный пруток ГОСТ 7417-75.Шлифованный пруток и серебрянкаГОСТ 14955-77. Полоса ГОСТ 103-76. Поковки и кованые заготовки ГОСТ1133-71.Трубы ОСТ 14-21-77.
Таблица 1.Массовая доля элементов, % по ГОСТ 4543-71C Si S Mn P Ni Cr Cu 0,18 – 0,21 0,17 – 0,37 ≤ 0,025 0,30 – 0,60 0,8 – 1,1 0,8 – 1,1 0,8 – 1,1 ≤ 0,30
Температуракритических точек, 0С.
Ас1
Ас3
Аr1
Ar3 730 810 615 700
Назначение:
Шестерни, валы, втулки,силовые шпильки, болты, червяки, муфты и другие цементируемые детали, к которымпредъявляются требования высокой прочности, пластичности и вязкости сердцевиныи высокой поверхностной твердости, работающие под действием ударных нагрузок ипри отрицательных температурах.
Таблица 2. Механическиесвойства.Термообработка, состояние поставки Сечение, мм s 0,2, МПа s B, МПа d 5, % y, % KCU, Дж/м 2 HB HRC Пруток. Закалка 820 °С, масло. Отпуск 500 °С. вода или масло. 15 735 930 12 55 108 15 Цементация 920-950 °С. Нормализация 870-890 °С, воздух. Отпуск 630-660 °С, воздух. Закалка 790-810 °С, масло. Отпуск 180-200 °С, воздух. 100 690 830 11 50 69 59 63 /> /> /> /> /> /> /> /> /> /> /> /> /> /> /> />
2. Анализвлияния углерода и легирующих элементов стали на технологию ее термообработки иполученные результаты
Хром – оченьраспространенный легирующий элемент. Он повышает точку А3 и понижаютточку А4 (замыкает область γ-железа). Температура эвтектоидногопревращения стали (точку А1) в присутствии хрома повышается, асодержание углерода в эвтектоиде (перлите) понижается. С углеродом хромобразует карбиды (Cr7C3,Cr4C) более прочные и устойчивые, чемцементит. При содержании хрома 3 — 5% в стали одновременно присутствуютлегированный цементит и карбид хрома Cr7C3, а если более 5% хрома, то в сталинаходится только карбид хрома. Растворяясь в феррите, хром повышает еготвердость и прочность и прочность, незначительно снижая вязкость. Хромзначительно увеличивает устойчивость переохлажденного аустенита.
В связи с большойустойчивостью переохлажденного аустенита и длительностью его распада,изотермический отжиг и изотермическую закалку хромистой стали проводитьнецелесообразно.
Хром значительноуменьшает критическую скорость закалки, поэтому хромистая сталь обладаетглубокой прокаливаемостью. Температура мартенситного превращения при наличиихрома снижается. Хром препятствует росту зерна и повышает устойчивость противотпуска. Поэтому отпуск хромистых сталей проводится при более высокихтемпературах по сравнению с отпуском углеродистых сталей. Хромистые сталиподвержены отпускной хрупкости и поэтому после отпуска детали следует охлаждатьбыстро (в масле).
Карбидообразующимиэлементами являются хром и марганец. При растворении карбидообразующихэлементов в цементите образующиеся карбиды называются легированным цементитом.При повышении содержания карбидообразующего элемента образуются самостоятельныекарбиды данного элемента с углеродом, так называемые простые карбиды, например,Cr7C3, Cr4C, Mo2C. Всекарбиды очень тверды (HRC 70- 75) и плавятся при высокой температуре (Cr7C3примерно при1700°С).
Введениелегирующих элементов оказывает влияние на перлитное превращение. Температура перлитногопревращения под влиянием различных легирующих элементов может понижаться илиповышаться, а концентрация углерода в перлите уменьшается-. В связи с этимточка S на диаграмме Fe—Fe3Cпонижается или повышается и одновременносдвигается влево. Следовательно, при введении легирующих элементов происходит смещение равновесныхточек на диаграмме Fe—Fe3C.
При наличиикарбидообразующих элементов кривая изотермического распада не сохраняет свойобычный С-образный вид, а становится как бы двойной С-образной кривой. На такойкривой наблюдаются две зоны минимальной устойчивости аустенита и между ними –зона максимальной устойчивости аустенита. Верхняя зона минимальной устойчивостиаустенита расположена в интервале температур 600 — 650°С. В этой зонепроисходит распад переохлажденного аустенита с образованием феррито-цементитнойсмеси.
Нижняя зона минимальнойустойчивости аустенита расположена в интервале температур 300 — 400°С. В этой зонепроисходит распад переохлажденного аустенита с образованием игольчатоготроостита.
/>
Микроструктураигольчатого троостита
Необходимо иметь в виду,что карбидообразующие элементы только в том случае повышают устойчивостьаустенита, если они растворены в аустените. Если же карбиды находятся внераствора в виде обособленных карбидов, то аустенит, наоборот, становится менееустойчивым. Это объясняется тем, что карбиды являются центрами кристаллизации,а также тем, что наличии нерастворенных карбидов приводит к обеднению аустениталегирующим элементом и углеродом.
При большом содержаниихрома в стали находятся специальные карбиды хрома. Твердость такой стали принагревании до более высокой температуры 400 — 450°С почти не изменяется. Принагревании до более высокой температуры (450 — 500°С) происходит повышениетвердости.
3. Последовательностьоперации предварительной и окончательной термообработки деталей
Таблица 4.Режимы термообработки
Операция
t, °С
Охлаждающая среда
HRC
Цементация
Закалка
Отпуск
930
820 – 840
180 — 200
Охлаждение медленное в колодцах или ящиках
Масло
Воздух
сердцевина
36 – 46
Поверхность 56 -62
4. Режимопераций предварительной и окончательной термообработки деталей (температура нагреваи микроструктура в нагретом состоянии, охлаждающая среда)
Последовательностьопераций обработки червяк руля, изготовленного из стали 20ХНР:
Цементация — механическаяобработка — закалка — высокий отпуск — механическая обработка;
При цементации детальнагревают без доступа воздуха до 930 — 950°С в науглероживающей среде –карбюризаторе., выдерживают при этой температуре в течение нескольких часов, азатем медленно охлаждают. В результате цементации поверхностный слой деталейнауглероживается (0,8 – 1% С), а в сердцевине остается 0,12 – 0,32% С, т.е.получается как бы двухслойный металл. Поэтому для получения нужной структуры исвойств в поверхностном слое и в сердцевине необходима двойная термическаяобработка.
В результате длительной выдержкипри высокой температуре цементации происходит перегрев, сопровождающийся ростомзерна. Для получения высокой твердости цементованного слоя и достаточно высокихмеханических свойств сердцевины, а также для получения в поверхностном слоемелкоигольчатого мартенсита, деталь после цементации подвергнем последующейтермической обработке.
Основная цель закалкистали это получение высокой твердости, и прочности что является результатомобразования в ней неравновесных структур – мартенсита, троостита, сорбита.Заэвтектоидную сталь нагревают выше точки Ас1 на 30 — 90 0С.Нагрев заэвтектоидной стали выше точки Ас1 производится для того,чтобы сохранить в структуре закаленной стали цементит, является еще болеетвердой составляющей, чем мартенсит.
Закалка с самотпускомсостоит в то, что нагретую деталь рабочей частью погружают в закалочную среду ивыдерживают в ней не до полного охлаждения. За счет тепла нерабочей частидетали, которая не погружалась в закалочную жидкость, рабочая часть деталинагревается. Температура отпуска при этом способе закалки определяют по цветампобежалости, возникающие на поверхности детали при температурах 220 – 300 0С.
Отпуск при 180 — 200°Спроводится для снятия внутренних напряжений и получение более устойчивогоструктурного состояния, повышение вязкости и пластичности, а также понижениетвердости и уменьшение хрупкости закаленной стали.
Он выполняется с цельюполучения структуры мартенсита отпуска и для частичного снятия внутреннихнапряжений в закаленной стали с целью повышения вязкости без заметного снижениятвердости. После такого режима термической обработки структура поверхностногослоя – мелкоигольчатый мартенсит с вкраплениями избыточного цементита, асердцевины – мелкозернистый феррит+перлит.
/>
Микроструктурамартенсита
Механические свойствастали после термической обработки:
— Твердость HRC 56-62 (пов.), HRC 36-46 (серд.)
— Предельная прочность(σв) равна 578 Н/мм2;
Использованнаялитература
1. Гуляев А.П. Металловедение. — М.:Металлургия, 1977.
2. Самохоцкий А.И. Технологиятермической обработки металлов, М., Машгиз, 1962.
3. Пожидаева С.П. Технологияконструкционных материалов: Уч. Пособие для студентов 1 и 2 курса факультетатехнологии и предпринимательства. Бирск. Госуд. Пед. Ин-т, 2002.
4. Марочник сталей и сплавов. 2-е изд.,доп. и испр. / А.С. Зубченко, М.М. Колосков, Ю.В. Каширский и др. Под общейред. А.С. Зубченко – М.: Машиностроение, 2003.
5. Металловедение и термическаяобработка стали. Справочник. / Под ред. Л.М. Бернштейна, А.Г. Рахштадта, М.:Металлургия, 1987.