Разработка технологического процесса термической обработки детали • Разработать технологический процесс термической обработки стальной детали: Болт шатунный. • Марка стали: Ст. 40ХН • Твердость после окончательной термообработки: НВ 302 - 352 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: 1. Расшифровать марку заданной стали, описать ее микроструктуру, механические свойства до окончательной термообработки и указать, к какой группе по назначению она относится. 2. 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. 3. Выбрать и обосновать последовательность операции предварительной и окончательной термообработки деталей, увязав с методами получения и обработки заготовки (литье, ковка или штамповка, прокат, механическая обработка). 4. Назначить и обосновать режим операций предварительной и окончательной термообработки деталей (температура нагрева и микроструктура в нагретом состоянии, охлаждающая среда). 5. Описать микроструктуру и механические свойства материала детали после окончательной термообработки. 1. Расшифровка марки стали. Сталь марки Ст.40ХН: хромоникелевая конструкционная легированная сталь содержит 0,39 – 0,41% углерода, 1 % хрома и никеля.
В хромоникелевые стали вводят хром и ни¬кель. Никель является дорогой примесью.
Хромоникелевые стали являются наилучшими конструкционными сталями; они обладают высокой прочностью и вязкостью, что особо важно для деталей, работающих в тяжелых условиях.Хромоникелевые стали имеют высокую прокаливаемость. К недостаткам хромоникелевых сталей относятся плохая обрабатываемость их резанием, обусловлен¬ная присадкой никеля, и большая склонность к отпускной хрупкости второго рода. Хромоникелевые стали подвергают как цементации с последующей термической обработкой, так и улучшению.
Хромо¬никелевые стали широко применяют в авиа- и автотракторостроении. 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. 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.Таблица 1. Массовая доля элементов, % по 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 Таблица 2. Температура критических точек, 0С. Ас1 Ас3 Аr1 Ar3 750 790 - - Назначение: Шатуны, шпиндели, коленчатые валы, шестерни, муфты, болты и другие ответственные детали.
Таблица 3. Механические свойства при комнатной температуре. Режим термообработки Сечение, мм σ0,2, Н/мм2 σв, Н/мм2 δ, % Ψ, % KCU, Дж/см2 HRC HB Закалка 830 – 850 Масло до100 590 735 14 45 59 590 235 - 277 Отпуск 550 - 600 Вода или масло 375 785 13 42 59 640 246 - 293 σ0,2, Н/мм2 - предел текучести условный с допуском на величину пластической деформации при нагружении 0,2%; σв, Н/мм2 - временное сопротивление (предельная прочность при разрыве). KCU, Дж/см2 - ударная вязкость после разрыва. Ψ, % - относительное сужение после разрыва. 2. Анализ влияния углерода и легирующих элементов стали на технологию ее термообработки и полученные результаты.
Хром 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.
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. С углеродом хром образует карбиды (Cr7C3,Cr4C) более прочные и устойчивые, чем цементит.
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.Растворимость никеля в α-железе увеличивается с понижением температуры; при 700° 5% никеля, при 400° 10% никеля.
Ограниченная область α твердого раствора. Никель повышает твердость и прочность феррита. Открытая область γ твердого раствора; непрерывная растворимость. Высокая вязкость, малая прочность и твердость никелевого аустенита. Повышает критическую точку А4, понижает А1 и А3. Микроструктура феррита 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. 3. Последовательность операции предварительной и окончательной термообработки деталей.Предел выносливости, Н/мм2 Термообработка σ -1 τ -1 594 892 Закалка 845 °С, вода, Отпуск 480°С, вода, σ 0,2=900 Н/мм2, σ в= 1150 Н/мм2 506 773 Закалка 845 °С, вода, Отпуск 590°С, вода, σ 0,2= 810 Н/мм2, σ в= 1010 Н/мм2 Хромоникелевые стали со средним и высоким содержанием углерода – улучшению (закалке и высокому отпуску). 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. 4. Режим операций предварительной и окончательной термообработки детали Последовательность операций обработки поршневого пальца, изготовленного из стали 45ХН : Механическая обработка - закалка - высокий отпуск - механическая обработка; 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 850 - 870 0С). Масло недостаточно быстро охлаждает при 550 - 650°С, что ограничивает его применение только тех сталей, которые обладают небольшой критической скоростью закалки.
После нагрева и выдержки изделие охлаждают в различных средах.
При несквозной прокаливаемости микроструктура внутренних слоев изделие представляется троостит. Сталь со структурой троостита обладает повышенной твердостью (НВ 330 - 400), достаточной прочностью, умеренной вязкостью и пластичностью.Высокий отпуск характеризуется температурой нагрева 500 - 600 0С и структурой сорбита.
Закалку и последующий высокий отпуск называют улучшением, так как при нем отпущенная сталь приобретает наиболее благоприятное сочетание механических свойств, высокую прочность, пластичность и вязкость.Скорость охлаждения значения не имеет. Последней операцией после отпуска проводят чистовую обработку точением, фрезерованием, шлифованием и др. Механические свойства стали после термической обработки: - Твердость повысилась до НВ 302 - 352; - Предел текучести условный с допуском на величину пластической деформации при нагружении 0,2%, σ0,2 = 640 Н/мм2 - Временное сопротивление (предельная прочность при разрыве), σв = 785 Н/мм2 - Ударная вязкость после разрыва, KCU = 59 Дж/см2 - Относительное сужение после разрыва, Ψ = 42 % Микроструктура закаленной углеродистой стали после отпуск 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) Самохоцкий А.И. Технология термической обработки металлов, М Машгиз, 1962. 3) 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.