Розробка технологічного процесу термічної обробки деталі Розробити технологічний
процес термічної обробки сталевої деталі: Черв'як керма.
Марка стали: Ст. 20ХНР
Твердість після остаточної термообробки:
HRC 56-62 (пов.).
Мета завдання: практичне ознайомлення з методикою розробки технологічного процесу термічної обробки деталей (автомобілів, тракторів і сільськогосподарських машин); придбання навичок самостійної
роботи з довідковою
літературою, більш глибоке засвоєння курсу, а також перевірка залишкових знань матеріалу, що вивчається в 1 семестрі.
Порядок виконання завдання:
Розшифрувати марку заданої стали, описати її мікроструктуру, механічні властивості до остаточної термообробки і вказати, до якої групи за призначенням вона належить.
Описати
характер впливу вуглецю і легуючих елементів заданої стали на положення критичних точок Ас1 і Ас3, Асm. Зростання зерна аустеніту, закаліваемость і прокаливаемость, на положення точок Мн і Мк, на кількість залишкового аустеніту і на відпустку. При відсутності легуючих елементів в заданій марці сталі описати вплив постійних домішок (марганцю, кремнію, сірки,
фосфору, кисню, азоту і водню) на її властивості.
Вибрати й обгрунтувати послідовність операції попередньої і остаточної термообробки деталей, пов'язавши з методами отримання і обробки заготовки (
лиття, кування або штампування, прокат, механічна
обробка).
Призначити та обгрунтувати режим операцій попередньої і остаточної термообробки деталей (температура нагріву і мікроструктура в нагрітому стані, охолоджуюча середа).
Описати мікроструктуру і механічні властивості матеріалу деталі після остаточної термообробки.
1. Розшифровка марки стали Сталь марки 20ХНР: хромонікелева сталь з вмістом вуглецю 0,20%, до 1% хрому, нікелю і бору. Хромонікелеві сталі є високоякісними конструкційними сталями.
У хромонікелеві стали вводять
хром і нікель. Нікель є дорогою сумішшю. Хромонікелеві сталі є найкращими конструкційними сталями; вони володіють високою міцністю і в'язкістю, що особливо важливо для деталей, що працюють у важких умовах. Хромонікелеві сталі мають високу прокаливаемость.
До недоліків хромонікелевих сталей відносяться погана оброблюваність їх різанням, обумовлена присадкою нікелю, і більша схильність до відпускної крихкості другого роду. Хромонікелеві стали піддають як цементації з наступною
термообробкою обробкою, так і поліпшення. Хромонікелеві стали широко застосовують в авіа-і автотракторобудування.
Хром є легирующим елементом,
він широко застосовується для легування. Зміст його в конструкційних сталях становить 0,7 - 1,1%. Присадка хрому, утворить карбіди, забезпечує високу твердість і міцність сталі. Після цементації і
загартування виходить тверда і зносостійка поверхня і підвищена в порівнянні з вуглецевою сталлю міцністю серцевини. Ці сталі застосовуються для виготовлення деталей, працюючих на великих швидкостях ковзання і середніх тисках (для зубчастих коліс, кулачкових муфт, поршневих пальців і т.п.). Хромисті сталі з низьким вмістом вуглецю піддають цементації з наступною термічною обробкою, а із середнім і високим вмістом вуглецю - поліпшення (загартуванню та високому відпуску). Хромисті сталі мають хорошу прокаливаемость. Недоліком хромистих сталей є їх схильність до відпускної крихкості другого роду.
Вид постачання: Сортовий прокат, у тому числі фасонний: ГОСТ 4543-71. Калібрований пруток ГОСТ 7417-75.Шліфованний пруток і сріблянка ГОСТ 14955-77. Смуга ГОСТ 103-76. Кування й ковані заготовки ГОСТ 1133-71.Труби ОСТ 14-21-77.
Таблиця 1. Масова частка елементів,% за ГОСТ 4543-71
C
| 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
|
Температура критичних точок,
0 С.
Ас 1
| Ас 3
| Аr 1
| Ar 3
|
730
| 810
| 615
| 700
|
Призначення: Шестерні, вали, втулки, силові шпильки, болти, черв'яки,
муфти та інші Цементовані деталі, до яких пред'являються вимоги високої міцності, пластичності і в'язкості серцевини і високої поверхневої твердості, що працюють під дією ударних навантажень та при негативних температурах.
Таблиця 2. Механічні властивості.
Термообробка, стан постачання
| Перетин, мм
| s 0,2, МПа
| s B, МПа
| d 5,%
| y,%
| KCU, Дж / м 2
| HB
| HRC
|
Пруток. Загартування 820 ° С, олія. Відпустка 500 ° С. вода або масло.
|
| 15
| 735
| 930
| 12
| 55
| 108
| 15
| |
Цементація 920-950 ° С. Нормалізація 870-890 ° С, повітря. Відпустка 630-660 ° С, повітря. Загартування 790-810 ° С, олія. Відпустка 180-200 ° С, повітря.
|
| 100
| 690
| 830
| 11
| 50
| 69
| 59
| 63
|
| | | | | | | | | | | | | | | |
2.
Аналіз впливу вуглецю і легуючих елементів стали на технологію її термообробки і отримані результати Хром - дуже поширений легуючий елемент.
Він підвищує точку А
3 і знижують точку А
4 (замикає область γ-заліза). Температура евтектоїдних
перетворення стали (точку А
1) у присутності хрому підвищується, а вміст вуглецю в евтектоіде (перліті) знижується. З
вуглецем хром утворює карбіди (Cr
7 C
3, Cr
4 C) більш міцні і стійкі, ніж цементит. При вмісті хрому 3 - 5% в сталі одночасно присутні легований цементит і карбід хрому Cr
7 C
3, а якщо більше 5% хрому, то в сталі знаходиться тільки карбід хрому. Розчиняючись в фериті, хром підвищує його твердість і міцність і міцність, незначно знижуючи в'язкість.
Хром значно збільшує
стійкість переохолодженого аустеніту.
У зв'язку з великою стійкістю переохолодженого аустеніту і тривалістю його розпаду, ізотермічний відпал і ізотермічну загартування хромової сталі проводити недоцільно.
Хром значно зменшує критичну швидкість загартування, тому хромова сталь має глибокої прокаливаемостью. Температура мартенситного перетворення при наявності хрому знижується. Хром перешкоджає зростанню зерна і підвищує стійкість проти відпустки. Тому відпустку хромистих сталей проводиться при більш високих температурах у порівнянні з відпусткою вуглецевих сталей. Хромисті стали схильні відпускної крихкості і тому після відпустки деталі слід охолоджувати швидко (в олії).
Карбидообразующие елементами є хром і марганець. При розчиненні карбидообразующие елементів у цементиті утворюються карбіди називаються легованим цементитом. При підвищенні вмісту карбидообразующие елемента утворюються самостійні карбіди даного елемента з вуглецем, так звані прості карбіди, наприклад, Cr
7 C
3, Cr
4 C, Mo
2 C. Всі карбіди дуже тверді (HRC 70 - 75) і плавляться при високій температурі (Cr
7 C
3 приблизно при 1700 ° С).
Введення легуючих елементів впливає на перлитному перетворення. Температура перлітного перетворення під впливом різних легуючих елементів може знижуватися або підвищуватися, а концентрація вуглецю в перліті зменшується-. У зв'язку з цим точка S на діаграмі Fe-Fe
3 C знижується або підвищується і одночасно зсувається вліво. Отже, при введенні легуючих елементів відбувається зсув рівноважних точок на діаграмі Fe-Fe
3 C.
При наявності карбидообразующие елементів крива ізотермічного розпаду не зберігає свій звичайний С-подібний вигляд, а стає як би подвійний С-подібної кривої. На
такий кривий спостерігаються дві зони мінімальної стійкості аустеніту і між ними - зона максимальної стійкості аустеніту. Верхня зона мінімальної стійкості аустеніту розташована в інтервалі температур 600 - 650 ° С. У цій зоні відбувається розпад переохолодженого аустеніту з утворенням феррито-цементітную суміші.
Нижня зона мінімальної стійкості аустеніту розташована в інтервалі температур 300 - 400 ° С. У цій зоні відбувається розпад переохолодженого аустеніту з утворенням голчастого троостита.
Мікроструктура голчастого троостита Необхідно
мати на увазі, що карбидообразующие елементи тільки в тому разі підвищують стійкість аустеніту, якщо вони розчинені в аустеніт. Якщо ж карбіди знаходяться поза розчину у вигляді відокремлених карбідів, то аустеніт, навпаки, стає менш стійким. Це пояснюється тим, що карбіди є центрами кристалізації, а також тим, що наявність нерозчинених карбідів призводить до збіднення аустеніту легирующим елементом і вуглецем.
При великому вмісті хрому в сталі знаходяться спеціальні карбіди хрому.
Твердість такої сталі при нагріванні до більш високої температури 400 - 450 ° С майже не змінюється. При нагріванні до більш високої температури (450 - 500 ° С) відбувається підвищення твердості.
3. Послідовність операції попередньої і остаточної термообробки деталей Таблиця 4. Режими термообробки
Операція
| t, ° С
| Охолоджуюча середа
| HRC
|
Цементація Загартування Відпустка
| 930 820 - 840 180 - 200
| Охолодження повільне в колодязях або ящиках Масло Повітря
| серцевина 36 - 46 Поверхня 56 -62
|
4.
Режим операцій попередньої і остаточної термообробки деталей (температура нагріву і мікроструктура в нагрітому стані, охолоджуюча середа) Послідовність операцій обробки черв'як керма, виготовленого із сталі 20ХНР:
Цементація - механічна обробка - загартування - високий відпустку - механічна обробка;
При цементації деталь нагрівають без доступу повітря до 930 - 950 ° С у насичуватися вуглецем середовищі - карбюризаторе., Витримують при цій температурі протягом декількох годин, а потім повільно охолоджують. У результаті цементації поверхневий шар деталей насичується вуглицем (0,8 - 1% С), а в серцевині залишається 0,12 - 0,32% С, тобто виходить ніби двошаровий метал. Тому для отримання потрібної структури і властивостей у поверхневому шарі і в серцевині необхідна подвійна термічна обробка.
У результаті тривалої витримки при високій температурі цементації відбувається перегрів, що супроводжується зростанням зерна. Для отримання високої твердості цементованного шару і досить високих механічних властивостей серцевини, а також для отримання в поверхневому шарі мелкоігольчатого мартенситу, деталь після цементації піддамо подальшій термічній обробці.
Основна мета гарту стали це отримання високої твердості, і міцності що є результатом утворення в ній нерівноважних структур - мартенситу, троостита, сорбіту. Заевтектоідную сталь нагрівають вище точки Ас
1 на 30 - 90
0 С. Нагрівання заевтектоідной стали вище точки Ас
1 проводиться для
того, щоб зберегти в структурі загартованої сталі цементит, є ще більш твердої складової, ніж мартенсит.
Гарт з самотпуском складається в те, що нагріту деталь робочою частиною занурюють в гартівних середу і витримують в ній не до повного охолодження. За рахунок тепла неробочої частини деталі, яка не поринала в гартівних рідина, робоча частина деталі нагрівається. Температура відпустки при цьому способі гарту визначають за кольорами мінливості, що виникають на
поверхні деталі при температурах 220 - 300
0 С.
Відпустка при 180 - 200 ° С проводиться для зняття внутрішніх напружень та отримання більш стійкого структурного
стану, підвищення в'язкості і пластичності, а також зниження твердості та зменшення крихкості загартованої сталі.
Він виконується з метою отримання структури мартенситу відпустки і для часткового зняття внутрішніх напружень у загартованої сталі з метою підвищення в'язкості без помітного зниження твердості. Після такого режиму термічної обробки структура поверхневого шару - мелкоігольчатий мартенсит з вкрапленнями надлишкового цементиту, а серцевини - дрібнозернистий ферит + перліт.
Мікроструктура мартенситу Механічні властивості сталі після термічної обробки:
- Твердість HRC 56-62 (пов.), HRC 36-46 (серд.)
- Гранична міцність (σ
в) дорівнює 578 Н / мм
2; Використана література 1. Гуляєв А.П.
Металознавство. - М.: Металургія, 1977.
2. Самохоцкій А.І.
Технологія термічної обробки металів, М., Машгиз, 1962.
3. Пожидаєва С.П. Технологія конструкційних
матеріалів: Уч. Посібник для
студентів 1 та 2 курсу факультету технології та підприємництва. Бірськ. Державної реєстрацiї. Пед. Ін-т, 2002.
4. Марочник сталей і сплавів. 2-е вид., Доп. і випр. / А.С. Зубченко, М.М. Колосков, Ю.В. Каширський та ін Під загальною ред. А.С. Зубченко - М.:
Машинобудування, 2003.
5.
Металознавство і термічна обробка сталі. Довідник. / Под ред. Л.М. Бернштейна, А.Г. Рахштадта, М.: Металургія, 1987.