Разработка технологического процесса термической обработки детали из стали 20ХНМ

8

Разработка технологического процесса термической обработки детали из стали 20ХНМ

1. Задание

· Разработать технологический процесс термической обработки стальной детали: Червяк руля.

· Марка стали: Ст. 20ХНМ

· Твердость после окончательной термообработки:

HRC 59-64 (пов.), НВ 293 - 352 (серд.)

1.1 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.

1.2 Порядок выполнения задания

2. Расшифровать марку заданной стали, описать ее микроструктуру, механические свойства до окончательной термообработки и указать, к какой группе по назначению она относится.

3. 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.

4. Выбрать и обосновать последовательность операции предварительной и окончательной термообработки деталей, увязав с методами получения и обработки заготовки (литье, ковка или штамповка, прокат, механическая обработка).

5. Назначить и обосновать режим операций предварительной и окончательной термообработки деталей (температура нагрева и микроструктура в нагретом состоянии, охлаждающая среда).

6. Описать микроструктуру и механические свойства материала детали после окончательной термообработки.

2. Расшифровка марки стали

Сталь марки Ст. 20ХНМ: хромоникелевая конструкционная легированная сталь содержит 0,20% углерода, 1 % хрома, никеля и марганца.

В хромоникелевые стали вводят хром, никель и марганец. 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, обусловленная присадкой никеля, и большая склонность к отпускной хрупкости второго рода. Хромоникелевые стали подвергают как цементации с последующей термической 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.). Хромоникелевые 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

Таблица 2. Температура критических точек, ⁰С

Назначение:

Шатуны, шпиндели, коленчатые валы, шестерни, муфты, болты и другие ответственные детали.

Таблица 3. Механические свойства при комнатной температуре

у_0,2, Н/мм² - предел текучести условный с допуском на величину пластической деформации при нагружении 0,2%;

у_в, Н/мм² - временное сопротивление (предельная прочность при разрыве).

KCU, Дж/см² - ударная вязкость после разрыва.

Ш, % - относительное сужение после разрыва.

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

Хром 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. 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 б-железе увеличивается с понижением температуры; при 700°. . . 5% никеля, при 400°. . . 10% никеля. Ограниченная область б твердого раствора. Никель повышает твердость и прочность феррита. Открытая область г 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.

3.1 Последовательность операции предварительной и окончательной термообработки деталей

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.

3.2 Режим операций предварительной и окончательной термообработки детали

Последовательность операций обработки поршневого пальца, изготовленного из стали 20ХНМ:

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.

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 - 220°С проводится для снятия внутренних напряжений. 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.

После такого режима термической обработки структура поверхностного слоя - мелкоигольчатый мартенсит с вкраплениями избыточного цементита, а сердцевины - мелкозернистый феррит+перлит.

Механические свойства стали после термической обработки:

- Твердость повысилась до НВ 235 - 311;

- Предел текучести условный с допуском на величину пластической деформации при нагружении 0,2%, у_0,2 = 640 Н/мм²

- Временное сопротивление (предельная прочность при разрыве), у_в = 785 Н/мм²

- Ударная вязкость после разрыва, KCU = 59 Дж/см²

- Относительное сужение после разрыва, Ш = 42 %

Микроструктура закаленной углеродистой стали после отпуска

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.