Розробка технологічного процесу термічної обробки деталі
Розробити технологічний процес термічної обробки сталевої деталі: поршневий палець.
Марка стали: Ст. 15Х
Твердість після остаточної термообробки:
HRC 56-64 (пов.), НВ 212 (серд.)
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 15Х: низьковуглецевий хромистая конструкційна цементуємих сталь містить 0,15% вуглецю, 0,75% хрому, 0,55% марганцю.
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 4543-57
Призначення:
Зубчасті колеса, кулачкові муфти, поршневі пальці, осі, колінчаті вали, шестерні, фрикційні диски, піввісь і т.д.
2. Аналіз впливу вуглецю і легуючих елементів стали на технологію її термообробки і отримані результати
Хром - відносно дешевий і дуже розповсюджений 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).
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
Поршневі пальці працюють при великих швидкостях ковзання і середніх тисках, тому 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.
Для отримання після цементації і наступної термічної обробки високої твердості поверхні та пластичної серцевини деталі виготовляють з нізкоулеглеродістих сталей 15 і 20. получающаяся після цементації і наступної термічної обробки тверда і міцна серцевина у сталей з підвищеним вмістом вуглецю охороняє цементованних шар від продавлювання при великих граничних навантаженнях. Це дозволяє знизити глибину цементованного шару, тобто скоротити тривалість цементації.
Хромисті сталі з низьким вмістом вуглецю піддають цементації з наступною термічною обробкою, а 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.
Масло недостатньо швидко охолоджує при 550 - 650 ° С, що обмежує його застосування тільки тих сталей, які мають невелику критичною швидкістю гарту.
4. Режим операцій попередньої і остаточної термообробки деталей (температура нагріву і мікроструктура в нагрітому стані, охолоджуюча середа)
Послідовність операцій обробки поршневого пальця, виготовленого із сталі 15Х:
Виливок - цементація - механічна обробка - загартування - високий відпустку - механічна 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.
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.
Перша - загартування від 850 - 900 ° С; Друга від 750 - 800 ° С і відпустку при 150 - 170 ° С. У результаті першої загартуванню поліпшується структура низьковуглецевої серцевини (перекристалізація). При цій загартуванню структура поверхневого шару теж поліпшується, так як швидким охолодженням усувається цементітную сітка. Але для науглероживания поверхневого шару температура 850 - 900 ° С є занадто високою і тому не усуває перегріву. Після цементації деталь надходить на механічну обробку.
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 760 - 780 0 С).
Друга гарт від 750 - 800 ° С є нормальною загартуванням для науглероженного шару - усувається перегрів і досягається висока твердість шару.
Відпустка при 150 - 170 ° С проводиться для зняття внутрішніх напружень. Після такого режиму термічної обробки структура поверхневого шару - мелкоігольчатий мартенсит з вкрапленнями надлишкового цементиту, а серцевини - дрібнозернистий ферит + перліт.
Механічні властивості сталі після термічної обробки:
- Твердість у серцевині підвищилася до НВ 212;
HRC 56-64 (пов.), НВ 212 (серд.)
- Гранична міцність (σ в) дорівнює 620 Н / мм 2;
Мікроструктура загартованої вуглецевої сталі після відпустки
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. 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.
3. Самохоцкій А.І. Технологія термічної обробки металів, М., Машгиз, 1962.
Розробити технологічний процес термічної обробки сталевої деталі: поршневий палець.
Марка стали: Ст. 15Х
Твердість після остаточної термообробки:
HRC 56-64 (пов.), НВ 212 (серд.)
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 15Х: низьковуглецевий хромистая конструкційна цементуємих сталь містить 0,15% вуглецю, 0,75% хрому, 0,55% марганцю.
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 4543-57
| C | Cr | Mn | σ b, у кг / мм 2 | σ S, в кг / мм 2 | δ 5, у% | Ψ, у% |
| 0,12 - 0,18 | 0,7 - 1,0 | 0,40 - 0,70 | 75 | 60 | 14 | 45 |
Зубчасті колеса, кулачкові муфти, поршневі пальці, осі, колінчаті вали, шестерні, фрикційні диски, піввісь і т.д.
2. Аналіз впливу вуглецю і легуючих елементів стали на технологію її термообробки і отримані результати
Хром - відносно дешевий і дуже розповсюджений 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).
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
Поршневі пальці працюють при великих швидкостях ковзання і середніх тисках, тому 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.
Для отримання після цементації і наступної термічної обробки високої твердості поверхні та пластичної серцевини деталі виготовляють з нізкоулеглеродістих сталей 15 і 20. получающаяся після цементації і наступної термічної обробки тверда і міцна серцевина у сталей з підвищеним вмістом вуглецю охороняє цементованних шар від продавлювання при великих граничних навантаженнях. Це дозволяє знизити глибину цементованного шару, тобто скоротити тривалість цементації.
Хромисті сталі з низьким вмістом вуглецю піддають цементації з наступною термічною обробкою, а 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.
Масло недостатньо швидко охолоджує при 550 - 650 ° С, що обмежує його застосування тільки тих сталей, які мають невелику критичною швидкістю гарту.
4. Режим операцій попередньої і остаточної термообробки деталей (температура нагріву і мікроструктура в нагрітому стані, охолоджуюча середа)
Послідовність операцій обробки поршневого пальця, виготовленого із сталі 15Х:
Виливок - цементація - механічна обробка - загартування - високий відпустку - механічна 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.
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.
Перша - загартування від 850 - 900 ° С; Друга від 750 - 800 ° С і відпустку при 150 - 170 ° С. У результаті першої загартуванню поліпшується структура низьковуглецевої серцевини (перекристалізація). При цій загартуванню структура поверхневого шару теж поліпшується, так як швидким охолодженням усувається цементітную сітка. Але для науглероживания поверхневого шару температура 850 - 900 ° С є занадто високою і тому не усуває перегріву. Після цементації деталь надходить на механічну обробку.
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 760 - 780 0 С).
Друга гарт від 750 - 800 ° С є нормальною загартуванням для науглероженного шару - усувається перегрів і досягається висока твердість шару.
Відпустка при 150 - 170 ° С проводиться для зняття внутрішніх напружень. Після такого режиму термічної обробки структура поверхневого шару - мелкоігольчатий мартенсит з вкрапленнями надлишкового цементиту, а серцевини - дрібнозернистий ферит + перліт.
Механічні властивості сталі після термічної обробки:
- Твердість у серцевині підвищилася до НВ 212;
HRC 56-64 (пов.), НВ 212 (серд.)
- Гранична міцність (σ в) дорівнює 620 Н / мм 2;
Мікроструктура загартованої вуглецевої сталі після відпустки
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. 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.
3. Самохоцкій А.І. Технологія термічної обробки металів, М., Машгиз, 1962.