Размещено на http://www.allbest.ru/

Министерство образования и науки Российской Федерации

ФГАОУ ВПО "Уральский федеральный университет имени первого Президента России Б.Н. Ельцина"

Институт материаловедения и металлургии

Кафедра термообработки и физики металлов

Тема: Исследование легированной стали 20ХГР

КУРСОВОЙ ПРОЕКТ

По дисциплине

Спецсплавы

Руководитель: Рыжков М.А.

Исполнитель:

студент группы Мт- 490701

Сурат C.А.

Екатеринбург

2012

• Содержание

• 1. Марочный химический состав по ГОСТ
• 2. Критические температуры при нагреве
• 3. Превращения переохлажденного аустенита в изотермических условиях и при непрерывном охлаждении
• 4. Определение верхней критической скорости закалки
• 5. Определение температуры начала мартенситного превращения
• 6. Технология выплавки и последующей термохимической обработки
• 7. Типовые режимы термической обработки
• 8. Методы поверхностного упрочнения деталей, изготовленных из рассматриваемой стали
• 9. Механические свойства в зависимости от режима обработки
• 10. Отпускная хрупкость
• 11. Хладостойкость
• 12. Прокаливаемость
• 13. Виды брака заготовок и готовой продукции, причины и метод борьбы
• 14. Рекомендуемые области применения
• 15. Схема технологического процесса изготовления деталей (зубчатое колесо)

Список используемой литературы

1. Марочный химический состав по ГОСТ

Таблица 1. Химический состав в % материала 20ХГР ГОСТ 4543 - 71 [1].

C	Si	Mn	Ni	S	P	Ti	Cu	B	Cr
0,18...0,24	0,17... 0,37	0,7 ... 1	не более	0,001... 0,005	0,75... 1,05
			0,3	0,035	0,035	0,06	0,3

Класс: Сталь конструкционная легированная

Российские заменители: 20ХН3А, 20ХН2М, 12ХН3А, 18ХГТ, 12ХН2.

Таблица 2.Зарубежные аналоги.

Американский AISI, ASTM, ASME	Германский DIN	Японский JIS	Китайский GB	Великобританcкий B.S.	Итальянский UNI	Французский AFNOR NF
SA-29 Grade 5115	16 MnCr 5	-	15CrMn 20CrMn	527 M 17 590 H 17 590 M 17	16 MnCr 5	16 MC 5 16 MnCr 5 RR

2. Критические температуры при нагреве

Таблица 3. Температура критических точек, °С:

Ac1	Ас3
735	835

Температуры Ас₁ и Ас₃ можно рассчитать по эмпирическим формулам. [1]

.

По нижнему пределу температура Ac₁ будет иметь значение:

°С,

по верхнему °С

Точки Ас_3, рассчитанные по формуле:

.

будут равняться по нижнему и верхнему пределу 813,84 °С и 844,72 °С соответственно.

3. Превращения переохлажденного аустенита в изотермических условиях и при непрерывном охлаждении

Таблица 4. Химический состав стали 18ХГ [1].

C	Si	Mn	Ni	S	P	Cr	Cu
0,15...0,21	0,17...0,37	0,9...1,2	не более 0,3	не более 0,035	не более 0,035	0,9...1,2	не более 0,3

сталь аустенит закалка мартенситный термический

Так как для стали 20ХГР нету диаграммы в справочнике Попова, то берем ближайшую по составу сталь и диаграмму. Исходя из того, что в стали 20ХГР присутствует бор, то диаграмме стали 18ХГ, будет смещена по диагонали вправо вверх.

4. Определение верхней критической скорости закалки

Для ближайшей стали 18ХГР эта скорость определяется началом перлитного превращения t_min = 650 ^oC и ф_min=90 c.

V_вкз=; V_вкз==2,16 ^оС

5. Определение температуры начала мартенситного превращения

Мн - температура начала мартенситного превращения, рассчитываем по формуле Попова [3]:

.

Температура мартенситного превращения по нижнему пределу

,

по верхнему пределу



6. Технология выплавки и последующей термохимической обработки

При производстве конструкционных легированных сталей используют различные печи: мартеновские печи, кислородные конвертеры и электрические печи. Рассмотрим технологию выплавки в дуговой печи. Схема дуговой печи показана на рис. 2. Дуговая печь питается трёхфазным переменным током. Имеет три цилиндрических электрода 9 из графитизированной массы, закреплённых в электрододержателях 8, к которым подводится электрический ток по кабелям 7. Между электродом и металлической шихтой 3 возникает электрическая дуга. Корпус печи имеет форму цилиндра. Снаружи он заключён в прочный стальной кожух 4, внутри футерован основным или кислым кирпичом 1. Плавильное пространство ограничено стенками 5, подиной 12 и сводом 6. Съёмный свод 6 имеет отверстия для электродов. В стенке корпуса имеется рабочее окно 10 (для слива шлака, загрузки ферросплавов, взятия проб), закрытое при плавке заслонкой. Готовую сталь выпускают через сливное отверстие со сливным желобом 2. Печь опирается на секторы и имеет привод 11 для наклона в сторону рабочего окна для скачивания шлака или желоба для слива стали. Печь загружают при снятом своде. Вместимость печей составляет 0,5…400 тонн.

Рисунок 2. Схема дуговой плавильной печи

В металлургических цехах используют электропечи с основной футеровкой, а в литейных - с кислой.

В основной дуговой печи осуществляется плавка двух видов:

а) на шихте из легированных отходов (методом переплава);

б) на углеродистой шихте (с окислением примесей).

Рассмотрим плавку на шихте из легированных отходов.

Плавку на шихте из легированных отходов ведут без окисления примесей. Шихта для такой плавки должна иметь меньше, чем в выплавляемой стали марганца и кремния, а также пониженное содержание фосфора. После расплавления шихты из металла удаляют серу, наводя основной шлак, при необходимости науглероживают и доводят металл до заданного химического состава. Проводят диффузионное раскисление, подавая на шлак измельченные ферросилиций, алюминий, молотый кокс. Так выплавляют легированные стали из отходов машиностроительных заводов.

В печь загружают шихту: стальной лом, чушковый передельный чугун, электродный бой или кокс для науглероживания металлов и известь. Опускают электроды, включают ток. Шихта под действием электродов плавится, металл накапливается в подине печи. Во время плавления шихты кислородом воздуха, оксидами шихты и окалины активно окисляются железо, кремний, фосфор, марганец, частично, углерод. Оксид кальция из извести и оксид железа образуют основной железистый шлак, способствующий удалению фосфора из металла. После нагрева до 1500…1540 ⁰C загружают руду и известь, проводят период «кипения» металла, происходит дальнейшее окисление углерода. Кипение металла ускоряет удаление из него газов, неметаллических включений, способствует удалению фосфора. Периодически шлак удаляют и добавляют руду и известь. Когда содержание углерода становится на 0,1 % меньше заданного, кипение прекращают. После прекращения кипения удаляют шлак.

Во время восстановительного периода плавки металл раскисляют белым шлаком (известь, плавиковый шпат, кокс и ферросилиций) и приступают к удалению серы и раскислению металла до заданного химического состава. Раскисление производят осаждением и диффузионным методом. Для определения химического состава металла берут пробы и при необходимости вводят в печь ферросплавы для получения заданного химического состава. Затем выполняют конечное раскисление алюминием и силикокальцием, и выпускают сталь в ковш.

При выплавке легированных сталей в дуговых печах в сталь вводят легирующие элементы в виде ферросплавов.

В ходе последующей химико-термической обработки проводимой по следующим режимам: цементация при 920...950 ^оС, охлаждение замедленное в колодцах или в цементационных ящиках; закалка 820...840 ^оС в масле; отпуск при 180...200 ^оС. охлаждение на воздухе или в масле, были получены результаты твердости:

· НВ, 321 (сердцевина)

· HRC, 57...63 (поверхность)

7. Типовые режимы термической обработки

Технологические свойства. Температурный интервал обра-ботки давлением 1150...800 °С. Рекомендуемая термообработка: за-калка с 860 °С в масле, отпуск 200 °С; цементация при 920...950 °С, закалка 920...840 °С масло, отпуск 180...200 °С.

Таблица 5. Механические свойства стали 20ХГР по ГОСТ 4543-71 при комнатной температуре

Режим термообработки	Сечение, мм	?0,2	?в	д5	ш	KCU, МДж/м2	HRC	HВ
Операция	Т, оС	Охлаж-дающая среда		МПа	%
				не менее
Отжиг	850...870	С печью	5...250	Не определяются		?197
Закалка	865...895	Масло	до 80	785	980	9	50	78
Отпуск	150...250	Воздух или масло	80...150	785	980	7	45	70
			150...250	785	980	6	40	65
Цемен- тация	920...950				Не определяются		Поверхности 56-62	Сердцевины ?321
Закалка	820...840	Масло
Отпуск	180...200	Воздух или масло

8. Методы поверхностного упрочнения деталей, изготовленных из рассматриваемой стали

Для повышения прочности зубчатых колес в промышленности используют комбинированный метод. Он заключается в том, что сначала рабочие поверхности зубьев подвергаются закалке, а затем упрочняют впадины. В результате предел выносливости увеличивается на 40-50 %. Закалка производится после нагрева в ТВЧ и снижает сопротивление усталости шестерен. На специальной установке происходит упрочнение впадин зубчатых колес. После обработки комбинированным методом прочность зубьев колес значительно возрастает. Иногда вместо закалки деталей ТВЧ применяют химико-термическую обработку. После закалки зубчатых колес при нагреве ТВЧ предел выносливости повышается на 114 %, после диффузионного хромирования на 134 %, после азотирования на 240 %. Повышение прочности зубьев колес возможно при повторно-изгибающем нагружении ударным наклепом, включая черновое образование профиля зубьев ударами профилированного бойка. После упрочнения впадин зубьев стальных колес ударной чеканкой, сопротивление усталостному разрушению от изгибающих нагрузок возрастает на 60 % по максимальным нагрузкам цикла и на 160 % по предельной амплитуде цикла. Для зубьев колес из высокопрочного чугуна на 31 % по максимальной нагрузке и на 64 % по амплитуде цикла. Для зубьев колес с зацеплением Новикова упрочнением ударной чеканкой достигается минимальное искажение профиля, существенно повышается сопротивление зубьев износу. Повышение эксплуатационных свойств зубчатых колес из улучшенных сталей может произойти при использовании холодного калибрования, без последующей термообработки. Благодаря упрочнению поверхностного слоя, значительно повышается износостойкость, контактная выносливость зубьев увеличивается на 40 %, а надежность в два раза. Получение высоких качественных характеристик рабочих поверхностей зубьев зависит от правильного определения режима калибрования. При выборе оптимального режима достигается наибольшее увеличение нагрузочной способности и долговечности. При нагреве зубчатых венцов в Процессе закалки полностью уничтожается эффект, полученный от упрочнения зубьев калиброванием. Однако, подвергнутые тепловой обработке калиброванные зубчатые колеса имеют более высокий К. П.Д. и повышенную износостойкость, за счет уменьшения шероховатостей рабочих поверхностей. Кроме указанных выше способов упрочнения зубьев колес, в результате которых повышается контактная выносливость, усталостная прочность и надежность, применяется метод пневмодробеструйного упрочнения. В том случае, когда цилиндрические и конические колеса высоконагружены, применяются виброшлифование. Рабочим телом является смесь, состоящая из стальных шлифованных шариков диаметром 2...3 мм, абразивной или алмазной (иногда заменяется эльбором) пасты в количестве 5...8 % или 2...4 % от объема шариков соответственно.

Виброшлифование длится 90...120 минут. В результате применения этого метода профиль зуба практически не изменяется, толщина зуба для конических колес и блочные размеры для цилиндрических изменяются в пределах 0,001...0,015 мм. , улучшается на один класс чистота боковых поверхностей зубьев.

В определенных условиях работы резьбовые детали подвергаются коррозийному разрушению. Увеличение коррозийно-усталостной прочности возможно за счет обкатки роликами впадин резьбы.

9. Механические свойства в зависимости от режима обработки

В зависимости от режима обработки стали, будут приобретены различные механические свойства, которые требуется получить для производства той или иной стали. Ниже приведена таблица механических свойств в зависимости от температуры отпуска полученных при закалке с 880^оС в масле и после отпуска с охлаждением в масле.

Таблица 6. Механические свойства в зависимости от температуры отпуска для стали 20ХГР [5].

tотп, оС	?0,2, МПа	?в, МПа .	д5, %	ш, %	KCU, МДж/м2	Твердость, HRC,
200	1220	1490	12	55	0,79 0,56 0,75 0,146 0,173	45
300	1230	1420	13	45		44
400	1160	1250	13	57		41
500	850	900	16	66		30
600	720	790	19	73		24

10. Отпускная хрупкость

Обычно с повышением температуры отпуска ударная вязкость увеличивается, а скорость охлаждения не влияет на свойства. Но для некоторых сталей наблюдается снижение ударной вязкости. Этот дефект называется отпускной хрупкостью.

Отпускная хрупкость I рода наблюдается при отпуске в области температур около 300 ^oС. Она не зависит от скорости охлаждения.

Это явление связано с неравномерностью превращения отпущенного мартенсита. Процесс протекает быстрее вблизи границ зерен по сравнению с объемами внутри зерна. У границ наблюдается концентрация напряжений, поэтому границы хрупкие.

Отпускная хрупкость I рода “необратима“, то есть при повторных нагревах тех же деталей не наблюдается.

Отпускная хрупкость II рода наблюдается у легированных сталей при медленном охлаждении после отпуска в области 450…650 ^oС.

При высоком отпуске по границам зерен происходит образование и выделение дисперсных включений карбидов. Приграничная зона обедняется легирующими элементами. При последующем медленном охлаждении происходит диффузия фосфора к границам зерна. Приграничные зоны обогащаются фосфором, снижаются прочность и ударная вязкость. Этому дефекту способствуют хром, марганец и фосфор. Уменьшают склонность к отпускной хрупкости II рода молибден и вольфрам, а также быстрое охлаждение после отпуска.

Отпускная хрупкость II рода “обратима“, то есть при повторных нагревах и медленном охлаждении тех же сталей в опасном интервале температур дефект может повториться.

Стали, склонные к отпускной хрупкости II рода, нельзя использовать для работы с нагревом до 650 ^oС без последующего быстрого охлаждения.

Хромистые стали без других добавок маловосприимчивы к отпускной хрупкости. Введение в хромистую сталь добавок марганца, кремния и никеля резко повышает ее восприимчивость к отпускной хрупкости. Один никель не вызывает отпускной хрупкости, но при совместном присутствии в стали никеля и хрома или никеля и марганца отпускная хрупкость выражена особенно сильно, что и наблюдается в стали 20ХГР. Высокое содержание Cr, Ni и Mn, резко повышает склонность к отпускной хрупкости.

В качестве средств борьбы с возникновением отпускной хрупкости в производственной практике обычно используются два метода:

1). введение в сталь добавок молибдена (0,25...0,45 %) или вольфрама (0,6...1,2 %);

2) применение быстрого охлаждения стали после высокого отпуска путем ее замочки в воде или масле, когда остаточные напряжения не являются лимитирующим фактором.

Одновременное применение этих методов обычно позволяет достигнуть желательных результатов в отношении полного устранения отпускной хрупкости в правильно легированных марках стали.

11. Хладостойкость

Хладостойкость- это способность материалов, элементов, конструкций и их соединений сопротивляться хрупким разрушениям при низких температурах окружающей среды.

Механические свойства и хладостойкость стали определяются прежде всего тремя механизмами упрочнения:

1) измельчением зерна;

2) упрочнением феррита атомами легирующих элементов и примесей, образующими твердые растворы внедрения и замещения;

3) упрочнением выделениями частиц второй фазы различной степени дисперсности.

Углерод, хотя и способствует эффективному упрочнению, резко снижает вязкость и пластичность стали, способствуя повышению хладностойкости. Принято считать, что увеличение содержания углерода в стали на каждые 0,1 % повышает порог хладностойкости на 20 ^оС.

Снижение содержания углерода предотвращает образование при сварке в зоне термического влияния хрупких закалочных мартенситных структур. В свариваемых хладостойких сталях содержание углерода должно быть ниже 0,2 %, и в структуре должно быть мало перлита (малоперлитные стали).

Из всех легирующих элементов никель в наибольшей степени понижает хладноломкость стали. Никель и железо полностью растворимы друг в друге, имеют близкое строение кристаллических решеток. Никель не является карбидообразующим элементом, он находится в твердом растворе в феррите или аустените. Никель упрочняет феррит и одновременно увеличивает его вязкость. Никель увеличивает прокаливаемость стали, измельчает зерно, а также снижает концентрацию примесей на дислокациях и уменьшает блокирование дислокаций примесными атомами внедрения. Введение 1 % Ni снижает порог хладноломкости примерно на 20 ^оС, а увеличение содержания серы от 0,02 до 0,05 % более чем в два раза снижает ударную вязкость при -40 °С.

Увеличение содержания кремния более 0,8 % приводит к резкому снижению ударной вязкости. Кремний и марганец во всем исследованном диапазоне концентраций значительно повышают твердость феррита.

Резко отрицательное действие на хладостойкость оказывают вредные примеси: фосфор и сера. Растворяясь в феррите, фосфор заметно искажает кристаллическую решетку твердого раствора и повышает температуру перехода в твердое состояние. Охрупчивающее влияние фосфора усиливается при обогащении им межзеренных границ благодаря развитию ликвационных процессов.

Для повышения хладостойкости и свариваемости строительных сталей применяют малоперлитные стали с низким содержанием углерода, микролегированные сильными карбидообразующими элементами. Кроме того, используют стали, легированные азотом в сочетании с различными сильными нитридообразующими элементами, в качестве которых чаще всего применяют ванадий, алюминий, ниобий и титан. Выделение азота из твердого раствора в виде нитридов уменьшает его охрупчивающее действие. Это увеличивает прочность стали и, способствуя измельчению зерна, не ухудшает ее хладостойкости.

Из вышесказанного, обращая внимание на химический состав стали 20ХГР, можно сказать, что сталь 20ХГР склонна к отпускной хрупкости.



Рисунок 3. Ударная вязкость стали 20ХГР от температуры при закалке с 860 °С в масле, отпуск при 200 °С, охлаждение в масле; HRC = 45.

Рисунок 4. Ударная вязкость стали 20ХГР от температуры при закалке с 860 °С в масле, отпуск при 500 °С, охлаждение в масле; HRC = 31.

12. Прокаливаемость

Прокаливаемость стали - это способность стали приобретать при закалке мартенситную структуру в слое той или иной глубины. Прокаливаемость зависит от состава стали, условий нагрева и охлаждения и других факторов, но в первую очередь определяется кинетикой превращений аустенита; чем больше устойчивость аустенита при температурах перлитного и бейнитного превращений, тем выше прокаливаемость. Прокаливаемость определяется экспериментально (например, методом торцовой закалки), а также расчётным путём (на основе диаграмм превращений аустенита). В большинстве случаев для получения однородных механических свойств по сечению изделия требуется сквозная прокаливаемость, т.к. наличие в структуре немартенситных продуктов превращений аустенита (феррита, перлита, бейнита) ведёт к понижению пластичности и ударной вязкости после закалки и отпуска.

Линии прокаливаемости были получены путем расчетов по журналу «Материаловедение и термическая обработка металлов» [4].

Рисунок 5. Кривые прокаливаемости по верхнему и нижнему пределу

Рисунок 6. Полоса прокаливаемости стали 20ХГР после нормализации при 900 ^оС и закалки 900 ^оС [1].

13. Виды брака заготовок и готовой продукции, причины и метод борьбы

Дефекты возникающие при цементации.

1. Трооститная сетка - образуется при внутреннем окислении. Внутреннее окисление уменьшает содержание легирующих элементов в твёрдом растворе, повышает критическую скорость закалки. При закалке в масле приводит к не мартенситному превращению аустенита. Для устранения трооститной сетки за 5...10 мин до окончания процесса в печную атмосферу вводят аммиак 2,5...10 %. долговечность деталей можно повысить, устраняя зоны внутреннего окисления последующей механической обработкой.

2. Обезуглероживание поверхности цементованного слоя - происходит при подстуживании на воздухе и при отсутствии автоматического регулирования углеродного потенциала во втором периоде насыщения. Для устранения обезуглероживания предполагается охладить детали в потоке обработанных газов.

3. Неравномерная глубина цементованного слоя - является результатом равномерности температуры в рабочем пространстве или плохой циркуляции печной атмосферы, при нарушении подачи карбюризатора, понижение температуры, недостаточной выдержке.

Дефекты при закалке.

1.Недогрев - возникает в том случае, если сталь была нагрета до температуры ниже критической. Часть сорбита не превращается в аустените, в результате закалки получается структура имеющая низкую твёрдость. Этот дефект можно исправить для чего недогретую сталь отжигают, а затем проводят нормальную закалку.

2.Перегрев - получается, если сталь была нагрета до температуры намного выше критической или при оптимальной температуре была дана слишком большая выдержка. При перегреве идёт рост зерна аустенита, мартенсит становится хрупкостойким. Исправляется отжигом, закалкой

3. Пережог - получается в том случае, если сталь была недогрета до температуры близкой к температуре плавления. Пережог характеризуется оплавлением и в связи с этим окислением металла по границам зёрен, поэтому сталь становится очень хрупкой. Пережог является неисправимым браком.

4. Закалочные трещины - возникают в результате резкого охлаждения или нагрева, перегрева, неравномерного охлаждения, наличие в деталях острых углов, рисок и п.т.

5. Пятнистая закалка - возникает если на поверхности детали окалина, загрязнение, неравномерная структура. В некоторых зонах вместо мартенсита может быть троостит или сорбит. Этот брак устраняется путём очистки деталей и перед закалкой проводят контроль стали на однородность.

14. Рекомендуемые области применения

В основном сталь 20ХГР используют для изготовления таких деталей как: зубчатые колеса, вал-шестерни, червяки, кулачковые муфты, валики, пальцы, втулки и другие улучшаемые или цементуемые детали, работающие в условиях ударных нагрузок.

15. Схема технологического процесса изготовления деталей (зубчатое колесо)

Производство металла для детали.

Доменная печь. 1 - чугунная летка; 2 - шлаковая летка; 3 - фурменный прибор; 4 - лещадь; 5 -чугуновоз; 6 - шлаковозы; 7 - газоотводы; 8 - засыпное устройство; 9 - фундамент; 10 -воздухопровод.	Дуговая сталеплавильная печь. 1 - электрод, 2 - футеровка, 3 - рабочая дверца; 4 - летка для выпуска жидкой стали, 5 - жидкая ванна, 6 - механизм наклона, 7 - электрододержатели.

Отливка деталей Резка маятникововй пилой на дисковом отрезном станке

Общая схема машины непрерывного литья заготовок

Термическая обработка отрезанных деталей

Общий вид камерной печи Общий вид токарно-винторезного станка

Нарезание зубьев методом копирования

Метод копирования заключается в образовании зубьев фасонным инструментом (модульными фрезами), профиль режущей части которого в осевой плоскости соответствует профилю впадины зуба (в). Основные схемы обработки зубьев по методу копирования модульными дисковыми и пальцевыми (применяются реже) фрезами показаны на рис. б и а.

Обработка впадины зуба по методу копирования

Список используемой литературы

1. Сорокин В.Г., Гервасьев М.А. Стали и сплавы. Марочник. М.: Интермет Инжиниринг, 2001. 158 с.

2. В.Д. Садовский, Е.А. Фокина, В.М. Счастливцев. Остаточный аустенит в закаленной стали. М.: Наука, 1986. -- 111 с.

3. Попов А.А., Попова Л.Е. Изотермические и термокинетические диаграммы распада переохлажденного аустенита. Справочник термиста. М.: Металлургия, 1961. 36 с.

4. Носков В.Б., Юрасов С.А. Журнал «Материаловедение и термическая обработка металлов» №1. ISSN 0026-0819. 1995. 19-25 с.

5. Солнцев Ю.П. Материалы для низких и криогенных температур. С-П.: Химиздат, 2008. 166 с.

Размещено на Allbest.ru