Разработка технологического процесса термической обработки детали из стали марки 20ХНР

Разработка технологического процесса термической обработки детали из стали марки 20ХНР

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

Температура критических точек, 0С.

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.

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 г-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 повы-шаться, 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 леги-рующих элементов происходит смещение равновесных точек на диа-грамме 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

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 (ув) 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.