Разработка технологического процесса термической обработки детали

Разработать технологический процесс термической обработки стальной детали: Червяк руля.

Марка стали: Ст. 20ХНР

Твердость после окончательной термообработки:

HRC 56-62 (пов.).

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 20ХНР: хромоникелевая сталь с содержанием углерода 0,20%, до 1% хрома, никеля и бора. Хромоникелевые стали являются высококачественными конструкционными сталями.

В хромоникелевые стали вводят хром и никель. Никель является дорогой смесью. 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, обусловленная присадкой никеля, и большая склонность к отпускной хрупкости второго рода. Хромоникелевые стали подвергают как цементации с последующей термообработкой обработкой, так и улучшению. Хромоникелевые 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.

Вид поставки: Сортовой прокат, в том числе фасонный: ГОСТ 4543-71. Калиброванный пруток ГОСТ 7417-75.Шлифованный пруток и серебрянка ГОСТ 14955-77. Полоса ГОСТ 103-76. Поковки и кованые заготовки ГОСТ 1133-71.Трубы ОСТ 14-21-77.

 

Таблица 1. Массовая доля элементов, % по ГОСТ 4543-71

C	Si	S	Mn	P	Ni	Cr	Cu
0,18 – 0,21	0,17 – 0,37	≤ 0,025	0,30 – 0,60	0,8 – 1,1	0,8 – 1,1	0,8 – 1,1	≤ 0,30

Температура критических точек, ⁰С.

Ас1	Ас3	Аr1	Ar3
730	810	615	700

Назначение:

Шестерни, валы, втулки, силовые шпильки, болты, червяки, муфты и другие цементируемые детали, к которым предъявляются требования высокой прочности, пластичности и вязкости сердцевины и высокой поверхностной твердости, работающие под действием ударных нагрузок и при отрицательных температурах.

 

Таблица 2. Механические свойства.

Термообработка, состояние поставки	Сечение, мм		s 0,2 , МПа		s B , МПа		d 5 , %		y , %		KCU, Дж/м 2		HB		HRC
Пруток. Закалка 820 °С, масло. Отпуск 500 °С. вода или масло.
	15	735		930		12		55		108		15
Цементация 920-950 °С. Нормализация 870-890 °С, воздух. Отпуск 630-660 °С, воздух. Закалка 790-810 °С, масло. Отпуск 180-200 °С, воздух.
	100	690		830		11		50		69		59		63

 

2. Анализ влияния углерода и легирующих элементов стали на технологию ее термообработки и полученные результаты

 

Хром – 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).

Введение легирующих элементов оказывает влияние на перлитное превращение. Температура перлитного превращения под влиянием различных легирующих элементов может понижаться или повы­шаться, а концентрация углерода в перлите уменьшается-. В связи с этим точка S на диаграмме Fe—Fe₃C понижается или повышается и одновременно сдвигается влево. Следовательно, при введении леги­рующих элементов происходит смещение равновесных точек на диа­грамме Fe—Fe₃C.

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

 

Таблица 4. Режимы термообработки

Операция	t , °С	Охлаждающая среда	HRC
Цементация Закалка Отпуск	930 820 – 840 180 - 200	Охлаждение медленное в колодцах или ящиках Масло Воздух	сердцевина 36 – 46 Поверхность 56 -62

 

4. Режим операций предварительной и окончательной термообработки деталей (температура нагрева и микроструктура в нагретом состоянии, охлаждающая среда)

 

Последовательность операций обработки червяк руля, изготовленного из стали 20ХНР:

Цементация - механическая обработка - закалка - высокий отпуск - механическая обработка;

При цементации деталь нагревают без доступа воздуха до 930 - 950°С в науглероживающей среде – карбюризаторе., выдерживают при этой температуре в течение нескольких часов, а затем медленно охлаждают. 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.

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.

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.

Закалка с самотпуском состоит в то, что нагретую деталь рабочей частью погружают в закалочную среду и выдерживают в ней не до полного охлаждения. За счет тепла нерабочей части детали, которая не погружалась в закалочную жидкость, рабочая часть детали нагревается. Температура отпуска при этом способе закалки определяют по цветам побежалости, возникающие на поверхности детали при температурах 220 – 300 ⁰С.

Отпуск при 180 - 200°С проводится для снятия внутренних напряжений и получение более устойчивого структурного состояния, повышение вязкости и пластичности, а также понижение твердости и уменьшение хрупкости закаленной стали.

Он выполняется с целью получения структуры мартенсита отпуска и для частичного снятия внутренних напряжений в закаленной стали с целью повышения вязкости без заметного снижения твердости. После такого режима термической обработки структура поверхностного слоя – мелкоигольчатый мартенсит с вкраплениями избыточного цементита, а сердцевины – мелкозернистый феррит+перлит.

 

Микроструктура мартенсита

 

Механические свойства стали после термической обработки:

- Твердость HRC 56-62 (пов.), HRC 36-46 (серд.)

- Предельная прочность (σ_в) равна 578 Н/мм²;

Использованная литература

 

1. Гуляев А.П. Металловедение. - М.: Металлургия, 1977.

2. Самохоцкий А.И. Технология термической обработки металлов, М., Машгиз, 1962.

3. Пожидаева С.П. Технология конструкционных материалов: Уч. Пособие для студентов 1 и 2 курса факультета технологии и предпринимательства. Бирск. Госуд. Пед. Ин-т, 2002.

4. 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.

5. Металловедение и термическая обработка стали. Справочник. / Под ред. Л.М. Бернштейна, А.Г. Рахштадта, М.: Металлургия, 1987.