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
Температура критичних точок, 0 С.
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.
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
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.
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 |
| Ас 1 | Ас 3 | Аr 1 | Ar 3 |
| 730 | 810 | 615 | 700 |
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 | ||||||||
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 |
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.