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 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
|
Таблиця 2. Температура критичних точок, 0 С. Ас 1
| Ас 3
| А r 1
| Ar 3
|
750
| 790
| -
| -
|
Призначення: 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 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. 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
|
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.