Термическая обработка сталей ХВГ, У8, У13

Закаливаемость и прокаливаемость стали. Характеристика конструкционных сталей. Влияние легирующих элементов на их технологические свойства. Термическая обработка сплавов ХВГ, У8, У13 и их структуры после нее. Выбор вида и режима термообработки детали.

Рубрика Производство и технологии
Вид курсовая работа
Язык русский
Дата добавления 12.01.2014
Размер файла 4,9 M

Отправить свою хорошую работу в базу знаний просто. Используйте форму, расположенную ниже

Студенты, аспиранты, молодые ученые, использующие базу знаний в своей учебе и работе, будут вам очень благодарны.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Содержание

Введение

1. Закаливаемость и прокаливаемость стали

1.1 Закаливаемость стали

1.2 Прокаливаемость стали

1.2.1 Расчет прокаливаемости стали 1 вариант

1.2.2 Расчет прокаливаемости стали 2 вариант

2. Конструкционные стали

2.1 Общая характеристика

2.2 Влияние легирующих элементов

2.3 Термообработка сталей ХВГ, У8, У13 и структуры

3. Разработка процесса термообработки детали по чертежу

3.1 Общая характеристика стали

3.2 Выбор вида и режима термообработки

3.3 Выбор нагревательного устройства

Список литературы

Аннотация

В данном курсовом проекте по теории и термической и химико-термической обработки определяется закаливаемость стали в зависимости от содержания углерода в ней (сталь ХВГ, У8, У13), ведется расчет прокаливаемости деталей, выполняемых из сталей, марки которых приведены выше. Описаны режимы термической обработки сталей ХВГ, У8, У13, структура сталей после термической обработки, а также механические свойства термически-обработанных сталей; ведется разработка технологического процесса термической обработки детали (Шкворень) по ее чертежу; выбирается, используемое на производстве, нагревательное устройство для термической обработки детали.

Введение

Термической обработкой называется технологический процесс, состоящий из совокупности операций нагрева, выдержки и охлаждения изделий из металлов и сплавов, целью которого является изменение их структуры и свойств в заданном направлении.

Теория термической обработки рассматривает и объясняет изменения строения и свойств металлов и сплавов при тепловом воздействии, а также при тепловом воздействии в сочетании с химическим, деформационным, магнитным и другим воздействиями.

Термическая обработка является одним из наиболее распространенных в современной технике способов получения заданных свойств металлов и сплавов. Термическая обработка применяется либо в качестве промежуточной операции для улучшения обрабатываемости резанием, давлением и т.д., либо в качестве окончательной операции для придания металлу или сплаву такого комплекса механических, физических и химических свойств, который сможет обеспечить заданные эксплуатационные характеристики изделия. Чем ответственнее изделие (конструкция), тем, как правило, в нем больше термически обработанных деталей.

закаливаемость сталь термообработка

1. Закаливаемость и прокаливаемость стали

1.1 Закаливаемость стали

Под закаливаемостью стали понимают - твердость стали, приобретаемую при закалке. При закалке сталь нагревается выше критической температуры и затем охлаждается со скоростью равной или выше критической, необходимой для получения неравновесной структуры -- мартенсита закалки. Эта операция термической обработки является весьма распространенной и наиболее ответственной. В связи с этим необходимо уделить особое внимание правильному выбору основных параметров технологии закалки.

Выбор температуры закалки производится в зависимости от температуры критических точек. При этом доэвтектоидные стали нагреваются выше точки Ас3 на 30...40 °С. Нагрев этих сталей выше точки Ас1, но ниже Ас3 недопустим, ибо при последующем охлаждении с критической скоростью образуется смесь структур мартенсита закалки и феррита. Из-за низкой твердости феррита (80 НВ) твердость стали после закалки будет существенно понижена. Для заэвтектоидных сталей является оптимальной температура нагрева выше точки Ас1 на 30...40 °С. После охлаждения с критической скоростью образуется структура мартенсита закалки и вторичного цементита. При таком сочетании структурных составляющих обеспечивается максимальная твердость стали после закалки, так как твердость цементита (750 НВ) даже выше, чем твердость мартенсита высокоуглеродистой стали (700 НВ). Необходимо учитывать, что при нагреве выше Aс1 заэвтектоидных сталей (при неполной закалке) оптимальные результаты будут получены только в том случае, если выделения вторичного цементита имеют зернистую (сфероидальную) форму. Выделения цементита в виде сетки по границам зерен недопустимы, так как заэвтектоидная сталь после закалки в этом случае будет хрупкой. Поэтому заэвтектоидные стали для получения качественной исходной структуры перед закалкой обязательно подвергаются сфероидизирующему отжигу. Твердость мартенсита закалки зависит от содержания углерода (рис. 1).

Рис. 1 Изменение твердости закаленной стали в зависимости от содержания углерода: а - закалка от температуры нагрева выше Ас3 ; б - твердость мартенсита; в - закалка от температуры нагрева выше Ас1.

На рис. 2 приведены области оптимальных температур для закалки углеродистых сталей с разным количеством углерода.

Рис. 2 Оптимальный интервал закалочных температур углеродистой стали

Как видно из рис. 1 твердость заэвтектоидной стали после неполной закалки с увеличением количества углерода несколько повышается. Это объясняется тем, что увеличивается количество очень твердого цементита в структуре, после закалки. Так как содержание углерода в мартенсите заэвтектоидных сталей практически одно и то же. Для разных по составу сталей твердость мартенсита заэвтектоидных сталей одинакова (рис.1, б).

Температура для закалки легированных сталей выбирается по данным из справочников.

Скорость охлаждения при закалке. Наиболее ответственной операцией при закалке является охлаждение, которое должно осуществляться со скоростью выше критической для получения структуры мартенсита.

Критическая скорость закалки Vk, для данной стали определяется по термокинетической диаграмме состояния.

При больших скоростях охлаждения при закалке возникают внутренние напряжения, которые могут привести к короблению или растрескиванию деталей. Поэтому нужно иметь ясное представление о механизме образования внутренних напряжений, чтобы успешно их регулировать и предотвращать образование брака.

1.2 Прокаливаемость стали

Под прокаливаемостью понимают способность стали получить закаленный слой с мартенситной или трооститно-мартенситной структурой и на определенную глубину.

За характеристику прокаливаемости принято считать критический диаметр Dk, т. е. наибольший диаметр цилиндра из данной стали, который получат в результате закалки полумартенситную структуру в центре образца.

Полумартенситная структура содержит 50 % мартенсита и 50 % троостита. В этом случае Dk обозначается D50. Однако часто важно знать значение диаметра, где содержание мартенсита значительно выше: 95 % и 99,9 %. В этих случаях Dk обозначают D95 и D99. Вопрос о прокаливаемости возникает потому, что скорость охлаждения по сечению закаливаемой детали различная: она максимальная на поверхности, уменьшается в более глубоких от поверхности слоях и минимальная в центральной части детали (рис. 3).

Рис. 3 Схема изменения скорости охлаждения по сечению цилиндра при закалке.

Естественно, что твердость по сечению детали, не имеющей сквозную прокаливаемость, будет неодинаковая, например для стали с 0,8 % С может быть HRC 65 на поверхности до HRC 15 в центре. После отпуска, когда можно выровнять твердость по сечению, ряд других свойств (особенно ан и ут) в непрокалившихся участках сечения оказываются заведомо сниженными. На рис. 4 показаны схемы кривых изменения свойств по сечению у непрокалившего образца (а) и образца со сквозной прокаливаемостью (б) после отпуска.

Для машиностроительных деталей ответственного назначения, которые работают в жестких условиях нагружения (на разрыв и, особенно на удар), также для деталей типа пружин, рессор и подавляющего большинства инструментов требуется, чтобы после закалки структура по всему сечению состояла из 100 % мартенсита, что обеспечит однородную структуру после отпуска.

Для деталей машин, работающих в условиях менее жесткого нагружения (в основном на изгиб и кручение) в последнее время за критерий прокаливаемости принимается 100 % мартенсита на глубине 0,5 радиуса детали;

Таким образом для конструктора, выбирающего материал для детали, знание прокаливаемости (критического диаметра Dк) стали весьма важно.

Рис. 4 Схема изменения механических свойств по сечению после закалки и отпуска на одинаковую твердость: а - образец с неполной прокаливаемостью; б - полностью прокалившийся образец (прокалившаяся зона заштрихована)

Рассмотрим определение прокаливаемости методом торцевой закалки. При этом методе стандартный образец (1 = 100 мм и 0 = 25 мм) из исследуемой стали подвергается охлаждению струей воды только с торца. Естественно, что скорость охлаждения по удалению от торца будет уменьшаться (соответственно уменьшается и твердость).

1.2.1 Расчет определения прокаливаемости стали - 1 вариант

На рис. 5 представлены значения твердости зависимости от расстояния от торца двух сталей: с 0,3 % С, 1,27 % Si и 0,87 % Сг. Далее по кривой НRС = f(h) (рис.5) определяют расстояние от торца образца до полумартенситной зоны, т. е. области, где структура состоит 50 % мартенсита и 50 % троостита.

Для этого на рис. 6 приведена кривая, показывающая твердость полумартенситной структуры HRC50м в зависимости от содержания углерода в стали. (HRC50m легированной стали при равном содержании углерода выше не больше, чем на 5 ед.).

Сталь ХВГ:

Из рис. 6 определяем для стали ХВГ HRC50m = 55. Отложив по оси ординат на рис. 5 значения твердости HRC50m = 55, проводим горизонтали до пересечения с кривыми HRC = f(h). Спроектировав полученные точки пересечения на ось расстояний, получим, что расстояние до полумартеиситной зоны = 20 мм. (см. рис. 5).

Рис. 5 Кривая изменения твердости легированной стали с 0,3% С, 1,27% Siи 0,87 % Cr в зависимости от расстояния от охлаждаемого торца.

Рис.6 Зависимость твердости полумартенситной структуры HRC (50%М+50%Т) от содержания углерода в стали.

Для определения D50 используем диаграмму на рис. 7. Отложим по оси абсцисс найденные расстояния и из полученных точек восстановим перпендикуляры до кривой «вода». Из полученных точек пересечения проведем горизонтали до пересечения с осью ординат и найдем, что при закалке в воде Dk = 20 мм. (см. рис.7). В ответственных деталях, работающих на разрыв и ударный изгиб, необходимо, чтобы по всему сечению при закалке образовалась мартенситная структура. В этом случае структуры, образующиеся при распаде мартенсита в процессе отпуска, имеют высокий комплекс механических свойств. Чтобы определить критические диаметры, для стали с содержанием 95 % M(D95) и 99,9 % M(D99,9) можно воспользоваться графиком на рис. 8.

Рис. 7 Диаграмма для определения критического диаметра D50 стали ускоренным методом.

Рис. 8 График для определения D95 и D99,9 по значению D50.

Из рис. 8 видно, что по значению D50, т. е. критического диаметра с 50 % мартенсита и 50 % троостита, можно определить D95 и D99,9.

D95=14, D99,9=12,5.

На прокаливаемость стали влияет много факторов:

а) состав аустенита (все элементы, растворяющиеся в аустените, за исключением Со, увеличивают стабильность аустенита, сдвигают вправо С-образные кривые распада аустенита и увеличивают прокаливаемость);

б) с ростом зерна аустенита прокаливаемость также увеличивается;

в) увеличение неоднородности аустенита и наличие нерастворимых частиц (оксиды, карбиды) в аустените ускоряют распад аустенита и уменьшают прокаливаемость.

Сталь У8:

Из рис. 6 определяем для стали У8 HRC50m=53. Отложив по оси ординат на рис. 5 значения твердости HRC50m = 53, проводим горизонтали до пересечения с кривыми HRC = f(h). Спроектировав полученные точки пересечения на ось расстояний, получим, что расстояние дополумартеиситной зоны = 5 мм. (см. рис. 5).

Для определения D50 используем диаграмму на рис. 7. Dk = 17 мм. (см. рис.7). Чтобы определить критические диаметры, для стали с содержанием 95 % M(D95) и 99,9 % M(D99,9) можно воспользоваться графиком на рис. 8. D95=6, D99,9=7.

СтальУ13:

Из рис. 6 определяем для стали У13 HRC50m = 55. Отложив по оси ординат на рис. 5 значения твердости HRC50m = 55, проводим горизонтали до пересечения с кривыми HRC = f(h). Спроектировав полученные точки пересечения на ось расстояний, получим, что расстояние дополумартеиситной зоны = 16 мм. (см. рис. 5).

Для определения D50 используем диаграмму на рис. 7. Dk = 16 мм. (см. рис.7). Чтобы определить критические диаметры, для стали с содержанием 95 % M(D95) и 99,9 % M(D99,9) можно воспользоваться графиком на рис. 8. D95=3, D99,9=6.

1.2.2 Расчет определения прокаливаемости стали - 2 вариант

При расчетах по второму варианту на основании данных о толщине мартенситной и полумартеиситной зоны, указанной в приведенных ниже или предварительно экспериментально определяемых по способу торцевой закалки, рассчитывают критический диаметр цилиндрической детали (с различным отношением высоты к диаметру), шара или параллелепипеда для различных условий охлаждения при закалке.

Для решения задачи используется специальная номограмма (номограмма М.Е. Блантера). В ее верхней части (приложение 1) даны две шкалы I и II, характеризующие расстояние от охлаждаемого торца образца. Для определения наибольшего диаметра (называемого критическим) или детали, прокаливающихся полностью по сечению с образованием мартенситной структуры, используют шкалу II, а для определения наибольшего диаметра (толщины) для полумартенситной зоны (50 % мартенсита и 50 % троостита) -- шкалу I.

На шкале I или соответственно шкале II находят расстояние от торца до конца мартенситной и полумартенситной зоны. Схема пользования номограммой приведена на рис. 10.

На шкале I или соответственно шкале II находят расстояние от торца до конца мартенситной и полумартенситной зоны, найденное экспериментально для данной стали или по данным рис.1, 5-6.

Из этой точки опускают перпендикуляр до пересечения с линией на номограмме (точка I на номограмме М.Е. Блантера), указывающей идеальное охлаждение (идеальную закалочную жидкость, т. е. жидкость, которая обеспечивала бы высокую и равномерную скорость охлаждения от температуры закалки до +20 °С). Из этой точки проводят горизонтальную линию влево до пересечения с линией номограммы (точка 2), соответствующей нужной в искомом случае среде охлаждения (вода, масло, воздух). Затем из точки 2 опускают перпендикуляр на шкалу «размер, мм» (в нижней части диаграммы). В точке пересечения читается ответ -- наибольший диаметр (толщина) образца, прокаливающегося полностью в выбранной закалочной жидкости с получением полумартенситной или мартенситной структуры.

Второй вариант.

Критический диаметр определяем по номограмме Блантера. Данные о прокаливаемости в различных видах охладителей, у которой расстояние до полумартенситной зоны равно ? 17,10,7 мм, приведены в таблице 1, 2, 3 (для сталей ХВГ, У8, У13).

Таблица 1. Сталь ХВГ

Среда охлаждения

L/D=0,1

L/D=0,25

L/D=0,5

D=50

D=99.9

D=50

D=99.9

D=50

D=99.9

Охлаждающие среды

520

150

270

75

171

50

5% NaOH в воде 20

455

113

225

55

150

37.5

5% NaCl в воде 20

440

105

220

50

145

35

Вода 20

430

100

214

48

140

33

Вода 40

400

80

207

40

135

27

Вода 60

350

63

185

32

120

21

Минеральные масла

330

57

160

28

110

18,5

Вода 80

245

35

125

18

84

12

Воздух

40

5

20

2.5

13.5

1,5

Таблица 2. Сталь У8

Среда охлаждения

L/D=0,1

L/D=0,25

L/D=0,5

D=50

D=99.9

D=50

D=99.9

D=50

D=99.9

Охлаждающие среды

440

110

220

55

150

38

5% NaOH в воде 20

373

83

205

42

130

28

5% NaCl в воде 20

365

75

200

38

127

25

Вода 20

360

70

196

36

123

24

Вода 40

340

56

180

27

115

18,5

Вода 60

300

42

150

21

100

14

Минеральные масла

280

37

140

18,5

94

12,5

Вода 80

210

22

105

11

70

7,5

Воздух

34

5

17

2,5

11

1,5

Таблица 3. Сталь У13

Среда охлаждения

L/D=0,1

L/D=0,25

L/D=0,5

D=50

D=99.9

D=50

D=99.9

D=50

D=99.9

Охлаждающие среды

440

105

220

50

150

35

5% NaOH в воде 20

360

75

192

38

122

26

5% NaCl в воде 20

350

70

184

36

118

24

Вода 20

340

67

176

34

114

23

Вода 40

320

53

160

27

110

17,8

Вода 60

280

40

140

20

93

13

Минеральные масла

260

36

133

18

87

12

Вода 80

190

21

94

11

63

7

Воздух

32

3

16

1,3

10,7

1,1

Графики прокаливаемости полученные по данным таблиц

1.Идеальное охлаждение б>?

2. 5% NaOH в воде 20 0С

3. 5% NaCl в воде 20 0С

4. Вода 20 0С

5. Вода 40 0С

6. Вода 60 0С

7. Минеральные масла

8. Вода 80 0С

9. Воздух

Данные о том, в каких охладителях для валов из сталей ХВГ, У8, У13 , будет получена мартенситная и полумартенситная структуры при различных диаметрах представлены в таблице 4.

Таблица 4.

Марка стали

Диаметр вала

Структура

L/d =4

L/d = 6

L/d = 10

ХВГ

50

М

-

-

-

М+Т

1, 2, 3, 4, 5, 6, 7

1, 2, 3, 4, 5, 6,7

1, 2, 3,4,5,6,7

70

М

-

-

-

М+Т

1, 2, 3, 4, 5, 6

1, 2, 3,4,5,6

1,2,3,4,5,6

100

М

-

-

-

М+Т

1, 2, 3, 4, 5

1,2,3,4,5,6

1,2,3,4,5

У8

50

М

-

-

-

М+Т

1, 2, 3, 4, 5, 6

1, 2, 3, 4, 5, 6

1, 2, 3, 4,5,6

70

М

-

-

-

М+Т

1, 2, 3, 4, 5

1, 2, 3, 4,5

1,2,3,4

100

М

-

-

-

М+Т

1,2

1,2

1

У13

50

М

-

-

-

М+Т

1, 2, 3, 4

1, 2, 3, 4

1,2,3,4

70

М

-

-

-

М+Т

1

1

1

100

М

-

-

-

М+Т

-

-

-

Рис 17. Варианты прокаливаемости вала:

Согласно таблице 4 для сталей ХВГ, У8, У13 при диаметрах вала 30,40 и 50 характерны варианты б и в структуры сердцевины.

2. Конструкционные стали

2.1 Общая характеристика

Конструкционные стали должны обладать высокой конструктивной прочностью, обеспечивать длительную и надежную работу конструкции в условиях эксплуатации. Поэтому особенность требований, предъявляемых к конструкционным материалам, состоит в необходимости обеспечения комплекса высоких механических свойств, а не одной какой-либо характеристики.

Материалы, идущие на изготовление конструктивных элементов, деталей машин и механизмов, должны наряду с, высокой прочностью и пластичностью хорошо сопротивляться ударным нагрузкам, обладая запасом вязкости. При знакопеременных нагрузках конструкционные материалы должны обладать высоким сопротивлением усталости, а при трении - сопротивлением износу. Во многих случаях необходимо сопротивление коррозии. Учитывая, что в деталях всегда имеются дефекты, являющиеся концентраторами напряжений, конструкционные материалы должны обладать высоким сопротивлением хрупкому разрушению и распространению трещин.

Помимо высокой надежности и конструктивной прочности конструкционные материалы должны иметь высокие технологические свойства - хорошие литейные свойства, обрабатываемость давлением, резанием, хорошую свариваемость. Конструкционные материалы должны быть дешевы и не должны содержать дефицитных легирующих элементов.

Из всех материалов, применяемых в настоящее время и прогнозируемых в будущем, только сталь позволяет получать сочетание высоких значений различных механических характеристик и хорошую технологичность при сравнительно невысокой стоимости. Поэтому сталь является основным и наиболее распространенным конструкционным материалом. Легирование позволяет повысить уровень механических свойств.

Основными преимуществами легированных конструкционных сталей перед углеродистыми являются более высокая прочность за счет упрочнения феррита и большей прокаливаемости, меньший рост аустенитного зерна при нагреве и повышенная ударная вязкость, более высокая прокаливаемость и возможность применения более мягких охладителей после закалки, устойчивость против отпуска за счет торможения диффузионных процессов. Отпуск при более высокой температуре дополнительно снижает закалочные напряжения. Легированные стали, обладают более высоким уровнем механических свойств после термической обработки. Поэтому детали из легированных сталей, как правило, должны подвергаться термической обработке.

Различают следующие виды конструкционных сталей: 1) углеродистые, в том числе автоматные стали; 2) строительные; 3) цементуемые; 4) улучшаемые; 5) высокопрочные; 6) рессорно-пружинные; 7) подшипниковые; 8) износостойкие.

2.2 Влияние легирующих элементов

Никель. Повышает точку А4 и понижает точки А3 и А1точку перлитного эвтектоидного превращения сдвигает влево. Повышает устойчивость аустенита выше 600°С; при содержании 4 -- 5% ниже 600°С выявляются характерные особенности кинетики промежуточного превращения; понижает температуру мартенситного превращения; за счет снижения критической скорости закалки увеличивает прокаливаемость, что и определяет применение никелевой машиностроительной стали для массивных деталей; никелевая сталь значительно менее чувствительна к перегреву, чем марганцовистая; в отожженном состоянии никель незначительно повышает прочность, наиболее сильно и надежно уменьшает склонность к хрупкому разрушению закаленной и отпущенной стали, увеличивает дисперсность карбидов, но способствует развитию процесса их роста и коагуляции; стабилизирует аустенит; способствует сохранению вязкости при температурах ниже 0 °С (до -- 60 -- 80° С) и плавному распределению углерода в цементованном слое. Повышает сопротивление стали окислению при нагреве и ее прочность при высоких температурах, (особенно при наличии аустенитной структуры).

Никелевая машиностроительная сталь после термической обработки имеет тонкую структуру, позволяющую получить при повышенной прочности высокие свойства пластичности и вязкости.

Хром.

До 7% снижает точки А4 и А3, а затем повышает точку А3; повышает температуру перлитного эвтектоидного превращения; перлитное превращение независимо от явлений перегрева и переохлаждения протекает в некотором интервале температур.

В стали, содержащей более 10% хрома, может образовываться карбид типа (FеСг)23С6, в котором растворяется от 28 до 35% железа; при содержании хрома более 15% и при малом количестве углерода может образовываться карбид (FeCr7)C3, растворяющий от 38 до 60% железа. В сплавах с небольшим содержанием хрома обнаруживается содержащий хром цементит, в котором может растворяться до 18 -- 20% хрома. Заметно повышает устойчивость аустенита в перлитной и в средней областях (особенно заметно при 600 -- 450° С); при обычных температурах нагрева не оказывает влияния на положение мартенситной точки; в случае полного растворения карбидов мартенситная точка будет смещаться под влиянием хрома к более низким температурам. Хромистая сталь характеризуется повышенной устойчивостью при отпуске, что вообще характерно для стали, легированной карбидообразующими элементами; уменьшает скорость коагуляции содержащего хром цементита и специальных хромистых карбидов. Хром относительно слабо воздействует на механические свойства в отожженном состоянии; стабилизирует аустенит; повышает прокаливаемость; способствует получению высокой и равномерной твердости, износостойкой поверхности. При высоком содержании хрома (13% и выше) сильно увеличивается сопротивление стали коррозии и окислению. Основным недостатком является склонность к отпускной хрупкости.

Молибден.

Понижает точку А4 и повышает точки A3 и А1. Сильный карбидообразующий элемент. Образует карбиды типа (MoFe)23C6 и (MoFe)6C, в которых вероятное соотношение атомов железа и молибдена составляет Fe3Mo3Ce и соответственно Fe3Mo3C. Карбид (MoFe)23C6 образуется преимущественно в присутствии хрома. В этом карбиде могут растворяться также хром, вольфрам и железо, поэтому он присутствует во всех сплавах. В цементите (Fe3C) растворится 1--2% молибдена. Значительно снижает критическую скорость закалки, что позволяет добиться сквозной прокаливаемости в массивных изделиях даже при добавке лишь 0,5 -- 0,8% молибдена, дает равномерную и мелкозернистую структуру; дает вязкий и волокнистый излом в изделиях после улучшения; значительно повышает устойчивость аустенита в перлитной области и сравнительно мало изменяет ее в средней области; увеличивает межпластинчатое расстояние в перлите; повышает точку мартенситного превращения; уменьшает чувствительность стали к перегреву; повышает устойчивость стали против отпуска, особенно после закалки от высоких температур; увеличивает сопротивление стали ползучести; способствует образованию тонкодисперсных специальных карбидов; устраняет склонность стали к отпускной хрупкости; сильно тормозит процесс роста и коагуляции частичек легированного цементита и карбидов.

Ванадий.

Понижает точку А4,; повышает точки А3 и А1; повышает содержание углерода в перлите. Сильно карбидообразующий элемент. При содержании ванадия 0,1% образуется карбид ванадия, который выделяется при 500 -- 550 °С. Отпуск при 600 -- 650 °С через несколько часов вызывает коагуляцию этого карбида. Подавляет превращение в перлитной области, но не влияет на начало превращения в промежуточной области; точку мартенситного превращения практически не смещает; способствует очень тонкому распределению карбидов в перлите; увеличивает прокаливаемость стали при охлаждении от высоких температур и повышает устойчивость стали против отпуска; уменьшает прокаливамость при закалке с нормальных температур. Ванадиевая сталь, закаленная с низких температур и сохраняющая карбиды ванадия нерастворенными, не отличается по поведению при отпуске от углеродистой стали. Влияние ванадия на твердость и прочность отожженной и нормализованной стали незначительно. Ванадий повышает предел текучести стали уже в нормализованном состоянии. Малые добавки ванадия способствуют измельчению зерна и повышают вязкость.

2.3 Термическая обработка сталей ХВГ, У8, У13. Их свойства и структуры

Механические свойства при комнатной температуре в зависимости от термообработки представлены в таблице 5.

Таблица 5. Механические свойства ХВГ

Термообработка, состояние поставки

Сечение, мм

уB, МПа

д4, %

Лента холоднокатаная отожженная

0,1-1,5

650

15

1,5-4,0

750

10

Лента холоднокатаная нагатованная.

Класс прочности Н1

0,1-4,0

750-900

Класс прочности Н2

0,1-4,0

900-1050

Класс прочности Н3

0,1-4,0

1050-1200

Лента холоднокатаная отожженная высшей категории качаства.

0,1-4,0

650

18

Таблица 6. Механические свойства в зависимости от температуры отпуска

t отпуска, °С

у0,2, МПа

уB, МПа

ш, %

KCU, Дж/м2

Закалка на мелкозернистую структуру с охлаждением в воде.

300

1370

1590

8

31

400

1180

1270

11

44

500

970

1090

13

73

600

830

980

17

93

Таблица 7. Механические свойства в зависимости от температуры испытания

Термообработка, состояние поставки

t испытания, °C

у0,2, МПа

уB, МПа

д5, %

ш, %

KCU, Дж/м2

HB

Закалка 860 °С, масло. Отпуск 450 °С.

-50

1760

1860

10

32

24

Отжиг или нормализация

100

690

16

30

200

200

660

13

22

200

300

18

20

200

400

620

22

26

180

500

460

27

34

155

600

330

33

45

135

700

205

38

60

110

Образец диаметром 5 мм и длиной 25 мм деформированный и отожженный. Скорость деформации 10 мм/мин. Скорость деформации 0,007 1/с.

700

105

64

90

800

94

65

100

900

63

60

100

1000

36

62

100

1100

22

65

100

1200

17

92

100

Отжиг.

Визг=195 МПа

600

26

71

Визг=85 МПа

700

45

88

Визг=52 МПа

800

38

71

Визг=27 МПа

900

59

92

Визг=25 МПа

1000

58

98

Визг=20 МПа

1100

65

99

Механические свойства У8

Таблица 8. Механические свойства в зависимости от температуры испытания

t испытания, °C

у0,2, МПа

уB, МПа

д5, %

ш, %

KCU, Дж/м2

Отжиг или нормализация [169]

100

710

17

24

195

200

640

15

15

205

300

17

16

205

400

19

23

190

500

500

23

29

170

600

370

28

39

150

700

255

33

50

120

Закалка 780 °С, масло. Отпуск 400 °С (образцы гладкие диаметром 6,3 мм) [138]

20

1230

1420

10

37

-40

1270

1450

11

36

-70

1300

1470

12

35

Образец диаметром 5 мм и длиной 25 мм, деформированный и отожженный. Скорость деформирования 10 мм/мин. Скорость деформации 0,007 1/с. [81]

700

105

58

91

800

91

58

100

900

55

62

100

1000

33

62

100

1100

21

80

100

1200

15

69

100

Таблица 9. Механические свойства ленты

Термообработка, состояние поставки

Сечение, мм

уB, МПа

д5, %

Лента отожженная холоднокатаная

0,1-1,5

650

15

1,5-4,0

750

10

Лента нагартованная холоднокатаная.

Класс прочности Н1

0,1-4,0

750-900

Класс прочности Н2

0,1-4,0

900-1050

Класс прочности Н3

0,1-4,0

1050-1200

Лента отожженная высшей категории качества

0,1-4,0

650

15

Механические свойства стали У13

Таблица 10. Механические свойства

Термообработка, состояние поставки

уB, МПа

д5, %

Прокат сечением 0,1-4,0 мм.

Лента холоднокатаная отожженная

750

10

Лента холоднокатаная нагартованная

750-1200

Лента холоднокатаная нагартованная, класс прочности Н1

750-900

Лента холоднокатаная нагартованная, класс прочности Н2

900-1050

Лента холоднокатаная нагартованная, класс прочности Н3

1050-1200

Лента отожженная высшей категории качества.

700

15

3. Разработка процесса термообработки детали по чертежу

3.1 Общая характеристика конструкционных легированных сталей

Конструкционная легированная сталь делится на качественную, высококачественную А и особовысококачественную Ш (электрошлакового переплава).

В зависимости от основных легирующих элементов эта сталь подразделяется на группы:

Хромистая сталь имеет очень широкое применение. Хром оказывает положительное влияние и является недорогой примесью. Сталь марок 15Х, 20Х, 30ХА применяются для деталей автотракторной и автомобильной промышленности. Хромистые стали с высоким содержанием углерода (0,9-1,1%) и хрома (0,8-1,65%) идут на изготовление колец, шариков и роликов шарикоподшипников. Их марки: ШХ6, ШХ9, ШХ15СГ, ШХ10. Обладают хорошей твердостью.

Марганцевая сталь после соответствующей химико-термической обработки приобретает высокую твердость, не снижая пластичности. Обрабатывается лучше, чем углеродистая. В производстве широко применяется сталь марок 15Г, 20Г, 30Г и др. Высокая износоустойчивость.

Хромоникелевая сталь является одной из самых распространенных конструкционных сталей, так как после термообработки приобретает высокую твердость, прочность, упругость и сопротивление ударным нагрузкам; ее марки - 20ХНА, 12Х2Н4А, 12ХН3А.

Хромокремнистая сталь обладает высокой твердостью и упругостью после термической обработки и широко применяется для изготовления рессор и пружин.

Хромомарганцевая сталь частично заменяет хромоникелевую (в целях экономии никеля). Широко применяется сталь марок 20ХГ, 20ХГР, 40ХГР, 30ХСС, 18ХГТ; последняя идет для автомобильных деталей.

Хромомарганцевокремнистая сталь (хромансиль) является заменителем хромомолибденовых сталей. При малом содержании углерода хорошо штампуется и сваривается. Марка - 25ХГСД, 14ХГСА, 30ХГСА.

Хромованадиевая сталь обладает высокой прочностью, пластичностью, твердостью, упругостью. Сталь марки 50ХВА идет для ответственных пружин, марки 15ХФ - для валов, шестерен, муфт.

Хромомолибденовая сталь обладает высокой пластичностью и хорошей свариваемостью, многие из этих сталей теплоустойчивы при температурах 400-500°C. Сталь марок 30ХМА служит для изготовления роторов, осей, зубчатых колес.

Хромоникелевольфрамовая и хромоникелемолибденовая стали предназначаются для нагруженных деталей машин, зубчатых колес, коленчатых валов, высоконагруженных шатунов. Марки этой стали - 30ХНВА, 40ХНВА, 40ХНМА, 25Х2Н4ВА.

Требуется разработать режимы термообработки для детали Шкворень, изготовленного из стали 20ХН3А.

3.2 Выбор вида и режима термообработки

Эскиз детали.

Выбор вида термообработки детали зависит от состава стали и от свойств, которые требуется получить.

Закалка - процесс т.о., обусловливающий получение неравновесных структур превращения или распада аустенита, при резком ее охлаждении со скоростью выше критической. Закалка осуществляется путем нагрева деталей до температур в интервале превращений или выше, выдержки при этих температурах и последующего охлаждения со скоростью выше критической в интервале наименьшей устойчивости аустенита.

Проводим закалку при температуре 840 0С, со временем нагрева - 6 часов и временем выдержки - 1,2 часа. Получаем структуру М+Аост:

Структура поверхности после закалки:

Мартенсит+аустенит остаточный. х200

Являясь основным процессом Т.О. стальных деталей, закалка применяется с целью получения высокой твердости и требуемых физико-механических свойств.

После закалки проводим высокий отпуск при температуре равной 600 0С, времени нагрева 8 часов и времени выдержки 1,6 часа. Отпуск - процесс т.о., обусловливающий превращение неустойчивых структур закаленного состояния в более устойчивые. В результате отпуска получаются более устойчивые структуры по схеме мартенсит - тростит - сорбит и в следствии этого получаются требуемые механические свойства или снимаются внутренние напряжения.

При отпуске легированных сталей в интервале температур ?400 оС может возникнуть отпускная хрупкость II рода, что связано с тем, что в сталях имеются неметаллические включения в виде нитридов (MeN), сульфидов (MeS) и других, которые при высоком нагреве растворяются в Ф. а при медленном охлаждении выделяются из Ф феррито-цементитной смеси (Т, С, П). Чтобы сохранить твердость стали и свести к минимуму отпускную хрупкость II рода, производим выдержку в 90 минут и охлаждение в воде.

3.3 Выбор нагревательного устройства

Для нагрева детали под закалку и отпуск применяем камерную термическую печь на газовом топливе, состоящую из следующих основных элементов: собственно печи, системы теплового контроля и автомашин, механизма подъёма заслонки.

Эта печь с размерами пода 0,62*1,644 предназначена для нагрева металла под термическую обработку: закалку, отпуск, отжиг. Температура нагрева 923 … 1323 К. Печь отапливается природным газом с низшей объёмной теплотой сгорания 35,1 МДж/м3. Для сжигания газа печь оборудована двумя горелками типа ГНП-1. Горелки установлены в камерах под нагреваемым материалом. По сторонам горелок предусмотрены сопла для подачи воздуха для создания более интенсивной циркуляции продуктов сгорания. Продукты сгорания из рабочего пространства удаляются в цеховую дымовую систему по двум каналам. Нагреваемые шкворни укладываются в корзины, подаваемые в печь по роликовым направляющим. Загрузка и выгрузка корзин осуществляется цеховым мостовым краном.

Кладка печи выполнена из шамотного, шамотного легковесного и диатомового кирпичей и заключена в железном каркасе из листового или сортового проката.

Общий вид и основные размеры камерной термической печи.

Таблица 11

1

Паспортная производительность

кг/ч

170

2

Фактическая производительность

кг/ч

155

3

Размеры пода

м

0,62*1,644

4

Температура нагрева металла

К

1323

5

Топливо

Природный газ

6

Число горелок

Шт

2

7

Номинальный расход газа

м3/ч

380

8

Номинальный расход воздуха

м3/ч

50

Для укладки шкворней в камерную печь используем приспособление. Диски насаживаем на штангу приспособления и устанавливаем на подставку, непосредственно преваренную к поддону приспособления. После нагрева и выдержки в печи для дальнейшего охлаждения дисков используем подъемный кран, зацепляя на трос штанги приспособления через канавки на концах штанг и охлаждаем.

Список использованной литературы

1. Кульбовский И.К. Теория и технология термической и химико-термической обработки. / И.К. Кульбовский,- Брянск: БГТУ, 2005.- 176 с.

2. Лахтин Ю.М., Леонтьева В.П. Материаловедение: Учебник для высших технических учебных заведений. - 3-е изд., перераб. и доп. - М.: Машиностроение, 1990. - 528 с.: ил.

3. Марочник сталей и сплавов. 2-е изд., доп. и испр./ А.С. Зубченко, Н.М. Колосков, Ю.В. Каширский и др. Под общей ред. А.С. Зубченко - М.: Машиностроение, 2003, 784 с.: илл.

4. Материаловедение: Учебник для вузов / Солнцев Ю.П., Пряхин Е.И., Войткун Ф. - М.: *МИСИС*, 1999. - 600 с.

5. Материаловедение: Учебник для высших технических учебных заведений. Б.Н. Арзамасов, И.И. Сидорин, Г.Ф. Косолапов и др.; Под общ. ред. Б.Н. Арзамасова. - 2-е изд., испр. и доп. - М.: Машиностроение, 1986. - 384 с., ил.

6. Материалы в машиностроении. Выбор и применение. Справочник в 5 томах. Том 2: Конструкционная сталь. Под ред. канд. техн. наук Е.П. Могилевского. - М.: Машиностроение, 1967

7. Справочник термиста. Филионов С.А., Фиргер И.В. - 2-е изд. переработанное и доп. - М.: Высшая школа, 1964. - 243 с.

Хенкин В.И. Оборудование для термической обработки изделий машиностроения: Учеб. Пособие. - Брянск: БГТУ, 2003. - 216 с.

Размещено на Allbest.ru


Подобные документы

  • Классификация, свойства, применение, маркировка углеродистых и легированных сталей. Влияние углерода и примесей на их свойства. Термическая обработка сплава 30ХГСА. Измерение твёрдости методом Роквелла. Влияние легирующих элементов на рост зерна стали.

    дипломная работа [761,3 K], добавлен 09.07.2015

  • Изменение механических, физических и химических свойств углеродистых конструкционных и инструментальных сталей в результате химико–термической обработки. Марки сталей, их назначение и свойства. Структурные превращения при нагреве и охлаждении стали.

    контрольная работа [769,1 K], добавлен 06.04.2015

  • Термическая обработка чугуна: понятие и виды. Микроструктура и свойства сталей после химико-термической обработки: цементация и азотирование. Зависимость твердости от содержания углерода по глубине цементованного слоя. Распределение азота по толщине слоя.

    реферат [541,9 K], добавлен 26.06.2012

  • Термическая обработка металлов и ее основные виды. Превращения, протекающие в структуре стали при нагреве и охлаждении. Основы химико-термической обработки. Цементация, азотирование, нитроцементация и цианирование, борирование и силицирование стали.

    реферат [160,5 K], добавлен 17.12.2010

  • Сравнительная характеристика быстрорежущих сталей марок: вольфрамомолибденовой Р6М5 и кобальтовой Р9М4К8 - различие в свойствах этих сталей и оптимальное назначение каждой из них. Разработка и обоснование режимов обработки изделий из этих сталей.

    практическая работа [1,8 M], добавлен 04.04.2008

  • Характеристика и механические свойства титана. Исследование влияния вспомогательных компонентов на свойства титанового сплава. Технологические аспекты плавки, определение типа плавильного агрегата. Термическая обработка: отжиг, закалка, старение.

    реферат [1,6 M], добавлен 17.01.2014

  • Общая характеристика легированных сталей и их специфические свойства: износостойкость, жаропрочность, прокаливаемость в крупных сечениях, кислотостойкость. Распределение легирующих элементов в сталях, зависимость механических свойств от их содержания.

    контрольная работа [1,1 M], добавлен 17.08.2009

Работы в архивах красиво оформлены согласно требованиям ВУЗов и содержат рисунки, диаграммы, формулы и т.д.
PPT, PPTX и PDF-файлы представлены только в архивах.
Рекомендуем скачать работу.