Разработка технологического процесса термической обработки детали Разработать технологический процесс термической обработки стальной детали: Зубчатое колесо полуоси.Марка стали: Ст. 18ХГТ Твердость после окончательной термообработки: HRC 56-62 (пов.), НВ 363-415 (серд.) Цель задания: практическое ознакомление с методикой разработки технологического процесса термической обработки деталей (автомобилей, тракторов и сельскохозяйственных машин); приобретение навыков самостоятельной работы со справочной литературой, более глубокое усвоение курса, а также проверка остаточных знаний материала, изучаемого в 1 семестре.
Порядок выполнения задания: Расшифровать марку заданной стали, описать ее микроструктуру, механические свойства до окончательной термообработки и указать, к какой группе по назначению она относится.Описать характер влияния углерода и легирующих элементов заданной стали на положение критических точек Ас1 и Ас3, Асm. Рост зерна аустенита, закаливаемость и прокаливаемость, на положение точек Мн и Мк, на количество остаточного аустенита и на отпуск.
При отсутствии легирующих элементов в заданной марке стали описать влияние постоянных примесей (марганца, кремния, серы, фосфора, кислорода, азота и водорода) на ее свойства.Выбрать и обосновать последовательность операции предварительной и окончательной термообработки деталей, увязав с методами получения и обработки заготовки (литье, ковка или штамповка, прокат, механическая обработка). Назначить и обосновать режим операций предварительной и окончательной термообработки деталей (температура нагрева и микроструктура в нагретом состоянии, охлаждающая среда). Описать микроструктуру и механические свойства материала детали после окончательной термообработки. 1. Расшифровка марки стали Сталь марки 18ХГТ: хромомарганцевая сталь содержит 0,18% углерода, до 1% хрома, марганца.
Эта марка стали относится к группе легированных конструкционных сталей, это детали, из которых наряду с повышенной прочностью и износостойкостью требуется наличие пружинящих свойств (например, это такие детали как: цанги, разрезные кольца, пружинные шайбы, фрикционные диски, коленчатые валы, полуоси, цапфы, червяки, шестерни). Детали, подвергающиеся закалке и отпуску; эта сталь успешно заменяет дорогостоящие хромоникелевые стали.
Хром является легирующим элементом, он широко применяется для легирования. Содержание его в конструкционных сталях составляет 0,7 – 1,1%. Присадка хрома, образующего карбиды, обеспечивает высокую твердость и прочность стали.
После цементации и закалки получается твердая и износоустойчивая поверхность и повышенная по сравнению с углеродистой сталью прочностью сердцевины.Эти стали применяются для изготовления деталей, работающих при больших скоростях скольжения и средних давлениях (для зубчатых колес, кулачковых муфт, поршневых пальцев и т.п.). Хромистые стали с низким содержанием углерода подвергают цементации с последующей термической обработкой, а со средним и высоким содержанием углерода – улучшению (закалке и высокому отпуску). Хромистые стали имеют хорошую прокаливаемость.
Недостатком хромистых сталей является их склонность к отпускной хрупкости второго рода. Некоторые детали работают в условиях поверхностного износа, испытывая при этом и динамические нагрузки. Такие детали изготавливают из низкоуглеродистых сталей, содержащих 0,10–0,30 % С, подвергая их затем цементации.В цементуемые стали титан вводят только для измельчения зерна.
При большем его содержании он уменьшает глубину цементованного закаленного слоя и прокаливаемость. При ХТО следует учитывать, что бор, увеличивая прокаливаемость, способствует росту зерна при нагреве. Для уменьшения чувствительности сталей к перегреву их дополнительно легируют Тi или Zr. Обычно изделия, изготовленные из высоколегированных цементуемых сталей, подвергают цементации на небольшую глубину.Вид поставки: Сортовой прокат, в том числе фасонный: ГОСТ 4543-71, ГОСТ 259071, ГОСТ 2591-71, ГОСТ 2879-69. Калиброванный пруток ГОСТ 7417-75, ГОСТ 8559-75, ГОСТ 8560-78, ГОСТ 1051-73. Шлифованный пруток и серебрянка ГОСТ 4543-71, ГОСТ 14955-77. Полоса ГОСТ 103-76. Поковки и кованые заготовки ГОСТ 1133-71. Таблица 1. Массовая доля элементов, % C Si Mn S P Cr Ni Ti Cu 0,16 – 0,18 0,17 – 0,37 0,80 – 1,10 ≤ 0,035 ≤ 0,035 1,00 -1,30 ≤ 0,30 0,03 – 0,09 ≤ 0,30 Таблица 2. Механические свойства Сечение, мм s 0,2 , МПа s B , МПа d 5 , % y , % KCU, Дж/м 2 HB HRC э Нормализация 880-950 °С. Закалка 870 °С, масло.
Отпуск 200 °С, воздух или вода. Образцы 78 Нормализация 930-960 °С. Цементация 930-950 °С. Закалка 825-840 °С, масло.
Отпуск 180-200 °С. 360 640 157-207 50 800 1000 9 285 57-63 Цементация 920-950 °С, воздух. Закалка 820-860 °С, масло.Отпуск 180-200 °С, воздух. 20 930 1180 10 50 78 341 53-63 60 780 980 9 50 78 240-300 57-63 Таблица 3.Температура критических точек, 0С. Ас1 Ас3 Аr1 Ar730 Назначение: Улучшаемые или цементируемые детали ответственного назначения, от которых требуется повышенная прочность и вязкость сердцевины, а также высокая поверхностная твердость, работающая под действием ударных нагрузок. 2. Анализ влияния углерода и легирующих элементов стали на технологию ее термообработки и полученные результаты Хром – относительно дешевый и очень распространенный легирующий элемент.
Он повышает точку А3 и понижают точку А4 (замыкает область γ-железа). Температура эвтектоидного превращения стали (точку А1) в присутствии хрома повышается, а содержание углерода в эвтектоиде (перлите) понижается.
С углеродом хром образует карбиды (Cr7C3,Cr4C) более прочные и устойчивые, чем цементит. При содержании хрома 3 - 5% в стали одновременно присутствуют легированный цементит и карбид хрома Cr7C3, а если более 5% хрома, то в стали находится только карбид хрома.
Растворяясь в феррите, хром повышает его твердость и прочность и прочность, незначительно снижая вязкость. Хром значительно увеличивает устойчивость переохлажденного аустенита. В связи с большой устойчивостью переохлажденного аустенита и длительностью его распада, изотермический отжиг и изотермическую закалку хромистой стали проводить нецелесообразно.Хром значительно уменьшает критическую скорость закалки, поэтому хромистая сталь обладает глубокой прокаливаемостью.
Температура мартенситного превращения при наличии хрома снижается. Хром препятствует росту зерна и повышает устойчивость против отпуска. Поэтому отпуск хромистых сталей проводится при более высоких температурах по сравнению с отпуском углеродистых сталей.Хромистые стали подвержены отпускной хрупкости и поэтому после отпуска детали следует охлаждать быстро (в масле). Карбидообразующими элементами являются хром и марганец.
При растворении карбидообразующих элементов в цементите образующиеся карбиды называются легированным цементитом.При повышении содержания карбидообразующего элемента образуются самостоятельные карбиды данного элемента с углеродом, так называемые простые карбиды, например, Cr7C3, Cr4C, Mo2C. Все карбиды очень тверды (HRC 70 - 75) и плавятся при высокой температуре (Cr7C3 примерно при 1700°С). При наличии карбидообразующих элементов кривая изотермического распада не сохраняет свой обычный С-образный вид, а становится как бы двойной С-образной кривой.
На такой кривой наблюдаются две зоны минимальной устойчивости аустенита и между ними – зона максимальной устойчивости аустенита. Верхняя зона минимальной устойчивости аустенита расположена в интервале температур 600 - 650°С. В этой зоне происходит распад переохлажденного аустенита с образованием феррито-цементитной смеси.Нижняя зона минимальной устойчивости аустенита расположена в интервале температур 300 - 400°С. В этой зоне происходит распад переохлажденного аустенита с образованием игольчатого троостита.
Микроструктура игольчатого троостита Необходимо иметь в виду, что карбидообразующие элементы только в том случае повышают устойчивость аустенита, если они растворены в аустените. Если же карбиды находятся вне раствора в виде обособленных карбидов, то аустенит, наоборот, становится менее устойчивым.Это объясняется тем, что карбиды являются центрами кристаллизации, а также тем, что наличии нерастворенных карбидов приводит к обеднению аустенита легирующим элементом и углеродом.
При большом содержании хрома в стали находятся специальные карбиды хрома. Твердость такой стали при нагревании до более высокой температуры 400 - 450°С почти не изменяется.При нагревании до более высокой температуры (450 - 500°С) происходит повышение твердости. 3. Последовательность операции предварительной и окончательной термообработки деталей Зубчатые колеса полуоси работают при больших скоростях скольжения и средних давлениях, поэтому основным требованием, предъявляемым к легированным конструкционным сталям, является сочетание высокой прочности, твердости и вязкости.
Наряду с этим они должны иметь хорошие технологические и эксплуатационные свойства и быть дешевыми. Введение в сталь легирующих элементов само по себе уже улучшает ее механические свойства.Для получения после цементации и последующей термической обработки высокой твердости поверхности и пластичной сердцевины детали изготовляют из низкоулеглеродистых сталей 15 и 20. получающаяся после цементации и последующей термической обработки твердая и прочная сердцевина у сталей с повышенным содержанием углерода предохраняет цементованный слой от продавливания при больших предельных нагрузках.
Это позволяет снизить глубину цементованного слоя, т.е. сократить длительность цементации.Доэвтектоидные стали при закалке нагревают до температуры на 30 -50°С выше верхней критической точки Ас3. При таком нагревании исходная феррито-перлитная структура превращается в аустенит, а после охлаждения со скоростью больше критической образуется структура мартенсита. Скорость охлаждения оказывает решающее влияние на результат закалки.
Преимуществом масла является то, что закаливающаяся способность не изменяется с повышением температуры масла.Масло недостаточно быстро охлаждает при 550 - 650°С, что ограничивает его применение только тех сталей, которые обладают небольшой критической скоростью закалки. 4. Режим операций предварительной и окончательной термообработки деталей (температура нагрева и микроструктура в нагретом состоянии, охлаждающая среда) Последовательность операций обработки поршневого пальца, изготовленного из стали 18ХГТ: Отливка – цементация - механическая обработка - закалка - высокий отпуск - механическая обработка; В результате длительной выдержки при высокой температуре цементации происходит перегрев, сопровождающийся ростом зерна.
Для получения высокой твердости цементованного слоя и достаточно высоких механических свойств сердцевины, а также для получения в поверхностном слое мелкоигольчатого мартенсита, деталь после цементации подвергнем последующей термической обработке.
В результате цементации поверхностный слой деталей науглероживается (0,8 – 1% С), а в сердцевине остается 0,12 – 0,32% С, т.е. получается как бы двухслойный металл.Поэтому для получения нужной структуры и свойств в поверхностном слое и в сердцевине необходима двойная термическая обработка.
Первая – закалка от 850 - 900°С; Вторая от 750 - 800°С и отпуск при 150 - 170°С. В результате первой закалке улучшается структура низкоуглеродистой сердцевины (перекристаллизация). При этой закалке структура поверхностного слоя тоже улучшается, так как быстрым охлаждением устраняется цементитная сетка. Но для науглероживания поверхностного слоя температура 850 - 900°С является слишком высокой и поэтому не устраняет перегрева.После цементации деталь поступает на механическую обработку.
Основная цель закалки стали это получение высокой твердости, и прочности что является результатом образования в ней неравновесных структур – мартенсита, троостита, сорбита.Заэвтектоидную сталь нагревают выше точки Ас1 на 30 - 90 0С. Нагрев заэвтектоидной стали выше точки Ас1 производится для того, чтобы сохранить в структуре закаленной стали цементит, является еще более твердой составляющей, чем мартенсит (температура заэвтектоидных сталей постоянна и равна 760 - 780 0С). Вторая закалка от 750 - 800°С является нормальной закалкой для науглероженного слоя – устраняется перегрев и достигается высокая твердость слоя. Отпуск при 150 - 170°С проводится для снятия внутренних напряжений. После такого режима термической обработки структура поверхностного слоя – мелкоигольчатый мартенсит с вкраплениями избыточного цементита, а сердцевины – мелкозернистый феррит+перлит.
Механические свойства стали после термической обработки: - Твердость в сердцевине повысилась до HRC 56-62 (пов.), НВ 363-415 (серд.) - Предельная прочность (σв) равна 620 Н/мм2; Физические свойства Температура испытания, °С 800 Модуль нормальной упругости, Е, ГПа 129 Модуль упругости при сдвиге кручением G, ГПа 49 Плотность, pn, кг/см3 7800 Коэффициент теплопроводности Вт/(м •°С) 29 Температура испытания, °С 20- 900 Микроструктура закаленной углеродистой стали после отпуска Список использованной литературы 1. Пожидаева С.П. Технология конструкционных материалов: Уч. Пособие для студентов 1 и 2 курса факультета технологии и предпринимательства.
Бирск. Госуд. Пед. Ин-т, 2002. 2. Марочник сталей и сплавов. 2-е изд доп. и испр. / А.С. Зубченко, М.М. Колосков, Ю.В. Каширский и др. Под общей ред. А.С. Зубченко – М.: Машиностроение, 2003. 3. Самохоцкий А.И. Технология термической обработки металлов, М Машгиз, 1962.