Розробка технологічного процесу термічної обробки деталі
· Розробити технологічний процес термічної обробки сталевої деталі: Болт шатунний.
· Марка стали: Ст. 40ХН
· Твердість після остаточної термообробки: НВ 302 - 352
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:
1. Розшифрувати марку заданої стали, описати її мікроструктуру, механічні властивості до остаточної термообробки і вказати, до якої групи за призначенням вона належить.
2. 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.
3. 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).
4. Призначити та обгрунтувати режим операцій попередньої і остаточної термообробки деталей (температура нагріву і мікроструктура в нагрітому стані, охолоджуюча середа).
5. Описати мікроструктуру і механічні властивості матеріалу деталі після остаточної термообробки.
1. Розшифровка марки сталі.
Сталь марки Ст.40ХН: хромонікелева конструкційна легована сталь містить 0,39 - 0,41% вуглецю, 1% хрому і нікелю.
У хромонікелеві стали вводять хром і нікель. Нікель є дорогою домішкою. 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 термічною 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.
Основною вимогою, що пред'являються до легованим конструкційних сталей, є поєднання високої міцності, твердості і в'язкості. Поряд з цим вони повинні мати добрі технологічні та експлуатаційні властивості і бути дешевими. Введення в сталь легуючих елементів саме по собі вже покращує її механічні властивості.
Таблиця 1. Масова частка елементів,% за ГОСТ 4543-71
Таблиця 2. Температура критичних точок, 0 С.
Призначення:
Шатуни, шпинделі, колінчаті вали, шестерні, муфти, болти та інші відповідальні деталі.
Таблиця 3. Механічні властивості при кімнатній температурі.
σ 0,2, Н / мм 2 - Межа плинності умовний з допуском на величину пластичної деформації при навантаженні 0,2%;
σ в, Н / мм 2 - Тимчасовий опір (гранична міцність при розриві).
KCU, Дж / см 2 - ударна в'язкість після розриву.
Ψ,% - відносне звуження після розриву.
2. Аналіз впливу вуглецю і легуючих елементів стали на технологію її термообробки і отримані результати.
Хром 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. 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. З вуглецем хром утворює карбіди (Cr 7 C 3, Cr 4 C) більш міцні і стійкі, ніж цементит. 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.
Розчинність нікелю в α-залозі збільшується зі зниженням температури; при 700 °. . . 5% нікелю, при 400 °. . . 10% нікелю. Обмежена α область твердого розчину. Нікель підвищує твердість і міцність фериту. Відкрита область γ твердого розчину; безперервна розчинність. Висока в'язкість, мала міцність і твердість нікелевого аустеніту. Підвищує критичну точку А 4, знижує А 1 і А 3.
Мікроструктура фериту
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.
3. Послідовність операції попередньої і остаточної термообробки деталей.
Хромонікелеві сталі із середнім і високим вмістом вуглецю - поліпшення (загартуванню та високому відпуску).
Доевтектоїдних стали при гарті нагрівають до температури на 30 -50 ° С вище верхньої критичної точки Ас 3. При такому нагріванні вихідна феррито-перлитная структура перетворюється на аустеніт, а після охолодження зі швидкістю більше критичної утворюється структура мартенситу. Швидкість охолодження робить вирішальний вплив на результат гарту. Перевагою масла є те, що гартує здатність не змінюється з підвищенням температури масла.
4. Режим операцій попередньої і остаточної термообробки деталі
Послідовність операцій обробки поршневого пальця, виготовленого зі сталі 45ХН:
Механічна обробка - загартування - високий відпустку - механічна обробка;
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 (температура заевтектоідних сталей постійна і дорівнює 850 - 870 0 С). Масло недостатньо швидко охолоджує при 550 - 650 ° С, що обмежує його застосування тільки тих сталей, які мають невелику критичною швидкістю гарту.
Після нагрівання і витримки виріб охолоджують у різних середовищах. При некрізне прокаливаемости мікроструктура внутрішніх шарів виріб представляється троостит. Сталь зі структурою троостита володіє підвищеною твердістю (НВ 330 - 400), достатню міцність, помірною в'язкістю і пластичністю.
Високий відпустку характеризується температурою нагріву 500 - 600 0 С і структурою сорбіту. Загартовування і подальший високий відпустку називають поліпшенням, так як при ньому відпущена сталь набуває найбільш сприятливе поєднання механічних властивостей, високу міцність, пластичність і в'язкість. Швидкість охолодження значення не має.
Останньою операцією після відпустки проводять чистову обробку гострінням, фрезеруванням, шліфуванням та ін
Механічні властивості сталі після термічної обробки:
- Твердість підвищилася до НВ 302 - 352;
- Межа плинності умовний з допуском на величину пластичної деформації при навантаженні 0,2%, σ 0,2 = 640 Н / мм 2
- Тимчасовий опір (гранична міцність при розриві),
σ в = 785 Н / мм 2
- Ударна в'язкість після розриву, KCU = 59 Дж / см 2
- Відносне звуження після розриву, Ψ = 42%
Мікроструктура загартованої вуглецевої сталі після
відпустку
Список використаної літератури:
1) 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.
2) Самохоцкій А. І. Технологія термічної обробки металів, М., Машгиз, 1962.
3) 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.
· Розробити технологічний процес термічної обробки сталевої деталі: Болт шатунний.
· Марка стали: Ст. 40ХН
· Твердість після остаточної термообробки: НВ 302 - 352
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:
1. Розшифрувати марку заданої стали, описати її мікроструктуру, механічні властивості до остаточної термообробки і вказати, до якої групи за призначенням вона належить.
2. 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.
3. 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).
4. Призначити та обгрунтувати режим операцій попередньої і остаточної термообробки деталей (температура нагріву і мікроструктура в нагрітому стані, охолоджуюча середа).
5. Описати мікроструктуру і механічні властивості матеріалу деталі після остаточної термообробки.
1. Розшифровка марки сталі.
Сталь марки Ст.40ХН: хромонікелева конструкційна легована сталь містить 0,39 - 0,41% вуглецю, 1% хрому і нікелю.
У хромонікелеві стали вводять хром і нікель. Нікель є дорогою домішкою. 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 термічною 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.
Основною вимогою, що пред'являються до легованим конструкційних сталей, є поєднання високої міцності, твердості і в'язкості. Поряд з цим вони повинні мати добрі технологічні та експлуатаційні властивості і бути дешевими. Введення в сталь легуючих елементів саме по собі вже покращує її механічні властивості.
Таблиця 1. Масова частка елементів,% за ГОСТ 4543-71
C | Si | S | Mn | P | Ni | Cr | Cu |
0,39 - 0,41 | 0,17 - 0,37 | ≤ 0,035 | 0,50 - 0,80 | ≤ 0,035 | 1,00 - 1,40 | 0,45 - 0,75 | ≤ 0,30 |
Ас 1 | Ас 3 | А r 1 | Ar 3 |
750 | 790 | - | - |
Шатуни, шпинделі, колінчаті вали, шестерні, муфти, болти та інші відповідальні деталі.
Таблиця 3. Механічні властивості при кімнатній температурі.
Режим термообробки | Перетин, мм | σ 0,2, Н / мм 2 | σ в, Н / мм 2 | δ, % | Ψ, % | KCU, Дж / см 2 | HRC | HB | ||
Загартування | +830 - 850 | Масло | до100 | 590 | 735 | 14 | 45 | 59 | 590 | 235 - 277 |
Відпустка | 550 - 600 | Вода або масло | 375 | 785 | 13 | 42 | 59 | 640 | 246 - 293 |
σ в, Н / мм 2 - Тимчасовий опір (гранична міцність при розриві).
KCU, Дж / см 2 - ударна в'язкість після розриву.
Ψ,% - відносне звуження після розриву.
2. Аналіз впливу вуглецю і легуючих елементів стали на технологію її термообробки і отримані результати.
Хром 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. 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. З вуглецем хром утворює карбіди (Cr 7 C 3, Cr 4 C) більш міцні і стійкі, ніж цементит. 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.
Розчинність нікелю в α-залозі збільшується зі зниженням температури; при 700 °. . . 5% нікелю, при 400 °. . . 10% нікелю. Обмежена α область твердого розчину. Нікель підвищує твердість і міцність фериту. Відкрита область γ твердого розчину; безперервна розчинність. Висока в'язкість, мала міцність і твердість нікелевого аустеніту. Підвищує критичну точку А 4, знижує А 1 і А 3.
Мікроструктура фериту
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.
3. Послідовність операції попередньої і остаточної термообробки деталей.
Межа витривалості, Н / мм 2 | Термообробка | |
σ -1 | τ -1 | |
594 | 892 | Загартування 845 ° С, вода, Відпустка 480 ° С, вода, σ 0,2 = 900 Н / мм 2, σ в = 1150 Н / мм 2 |
506 | 773 | Загартування 845 ° С, вода, Відпустка 590 ° С, вода, σ 0,2 = 810 Н / мм 2, σ в = 1010 Н / мм 2 |
Доевтектоїдних стали при гарті нагрівають до температури на 30 -50 ° С вище верхньої критичної точки Ас 3. При такому нагріванні вихідна феррито-перлитная структура перетворюється на аустеніт, а після охолодження зі швидкістю більше критичної утворюється структура мартенситу. Швидкість охолодження робить вирішальний вплив на результат гарту. Перевагою масла є те, що гартує здатність не змінюється з підвищенням температури масла.
4. Режим операцій попередньої і остаточної термообробки деталі
Послідовність операцій обробки поршневого пальця, виготовленого зі сталі 45ХН:
Механічна обробка - загартування - високий відпустку - механічна обробка;
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 (температура заевтектоідних сталей постійна і дорівнює 850 - 870 0 С). Масло недостатньо швидко охолоджує при 550 - 650 ° С, що обмежує його застосування тільки тих сталей, які мають невелику критичною швидкістю гарту.
Після нагрівання і витримки виріб охолоджують у різних середовищах. При некрізне прокаливаемости мікроструктура внутрішніх шарів виріб представляється троостит. Сталь зі структурою троостита володіє підвищеною твердістю (НВ 330 - 400), достатню міцність, помірною в'язкістю і пластичністю.
Високий відпустку характеризується температурою нагріву 500 - 600 0 С і структурою сорбіту. Загартовування і подальший високий відпустку називають поліпшенням, так як при ньому відпущена сталь набуває найбільш сприятливе поєднання механічних властивостей, високу міцність, пластичність і в'язкість. Швидкість охолодження значення не має.
Останньою операцією після відпустки проводять чистову обробку гострінням, фрезеруванням, шліфуванням та ін
Механічні властивості сталі після термічної обробки:
- Твердість підвищилася до НВ 302 - 352;
- Межа плинності умовний з допуском на величину пластичної деформації при навантаженні 0,2%, σ 0,2 = 640 Н / мм 2
- Тимчасовий опір (гранична міцність при розриві),
σ в = 785 Н / мм 2
- Ударна в'язкість після розриву, KCU = 59 Дж / см 2
- Відносне звуження після розриву, Ψ = 42%
Мікроструктура загартованої вуглецевої сталі після
відпустку
Список використаної літератури:
1) 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.
2) Самохоцкій А. І. Технологія термічної обробки металів, М., Машгиз, 1962.
3) 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.