дз матвед (Выбор материала и технологии термической обработки)

Условие задачи

Выберите легированную сталь для изготовления ответственного болта диаметром 36 мм. Назначьте и обоснуйте режим упрочняющей термической обработки, обеспечивающий: . Постройте график термообработки в координатах температура-время с указанием: критических точек стали, температуры нагрева, времени выдержки, среды охлаждения.

Опишите структурные превращения, происходящие в стали на всех стадиях термической обработки.

Приведите основные сведения об этой стали: химический состав по ГОСТу, область применения, требования, предъявляемые к этому виду изделий, механические свойства после выбранного режима термической обработки, технологические свойства, влияние легирующих элементов, достоинства и недостатки и др.

Отчет

Легированные стали – это сплавы на основе железа, в химический состав которых специально введены легирующие элементы, обеспечивающие при определенных способах производства и обработки требуемую структуру и свойства. Легированные стали характеризуются низким содержанием углерода – до 0,6% и сравнительно не высоким содержанием легирующих элементов - до 7-8%.

Легированные конструкционные стали применяются ля наиболее ответственных и тяжелонагруженных деталей машин. Практически всегда эти детали подвергаются окончательной термической обработке – закалке с последующим высоким отпуском в районе 550-680С (улучшение), что обеспечивает наиболее высокую конструктивную прочность, т.е. высокую прочность в сочетании с высокой пластичностью, вязкостью и малой склонность к хрупким разрушениям.

Хромоникельмолибденовые стали являются наиболее качественными, их применяют для изготовления самых ответственных изделий. Уникальные свойства этих сталей достигаются вследствие их наибольшей вязкости. Высокая вязкость сталей, в том числе и при отрицательных температурах, обусловлена влиянием никеля на параметры, характеризующие склонность к хрупкому и вязкому разрушению.

Первично были отобраны стали следующих марок по назначению материала (ответственные болты): 38Х2Н2МА, 40ХН2МА, 30ХН2МА. Для последующего отбора были использованы следующие критерии: механические свойства¹, стоимость материала. Используя эти критерия, выбор пал на сталь марки 38Х2Н2МА из-за наименьшей стоимости материала² и хороших механических свойств.

Итак, для изготовления ответственного болта диаметром 36 мм выберем конструкционную легированную сталь 38Х2Н2МА.

Классификация марки стали 38Х2Н2МА

Марка: 38Х2Н2МА 
Класс: Сталь конструкционная легированная
Вид поставки: сортовой прокат, в том числе фасонный: ГОСТ 4543-71, ГОСТ 2590-2006, ГОСТ 2591-2006, ГОСТ 2879-2006. Калиброванный пруток: ГОСТ 7417-75, ГОСТ 8559-75, ГОСТ 8560-78, ГОСТ 1051-73. Шлифованный пруток и серебрянка: ГОСТ 14955-77. Полоса: ГОСТ 103-2006. Поковки и кованые заготовки: ГОСТ 8479-70, ГОСТ 1133-71. Трубы: ОСТ 14-21-77.
Использование в промышленности: валы, шатуны, болты, шпильки и другие крупные особо ответственные тяжелонагруженные детали сложной конфигурации, применяемые в улучшенном состоянии.

Наша сталь является доэвтектоидной сталью, тк в ней содержится до 0.8% углерода (C) и среднелегированной сталью, потому что содержание легирующих веществ лежит в пределах от 2,5% до 10%.

В нашей стали присутствует большое количество никеля (Ni), что обеспечивает прокаливаемость, прочность, коррозионную стойкость, пластичность сталей и делает их более ударопрочными, снижает предел хладноломкости.

Хром (Cr) повышает способность сталей к термическому упрочнению, их стойкость к коррозии и окислению, обеспечивает повышение прочности при повышенных температурах.

Молибден (Mo), который присутствует в нашей стали от 0.2-0.3%, повышает прочность сплавов на растяжение, их упругость и красностойкость. Кроме того, эта легирующая добавка делает стали стойкими к окислению при высоких температурах.

Марганец (Mn) считается технологической примесью, если его содержание, не превышает 0,8%, а в нашем случае его содержание не превышает 0.5%. Марганец как технологическая примесь существенного влияния на свойства стали не оказывает.

Аналогично можно сказать и про серу (S), содержание которой не превышает 0.025%, что указывает на то, что сера в нашем случае – технологическая примесь. И в нашем случае это хорошо, так как повышение содержания серы существенно снижает механические и физико-химические свойства сталей, в частности, пластичность, ударную вязкость, сопротивление истиранию и коррозионную стойкость.

Фосфор (P) в нашей стали тоже является технологической примесью. Фосфор, как и сера, относится наиболее вредным примесям в сталях и сплавах. Увеличение его содержания, даже на доли процента, повышая прочность, одновременно повышает текучесть, хрупкость и порог хладноломкости и снижает пластичность и вязкость.

Кремний (Si) содержится в нашей стали 0.17-0.37%, что доказывает плохую пригодность стали марки 38X2H2МА для сварных конструкций.

Медь (Сu) увеличивает антикоррозионные свойства.

Термическая обработка

При изготовлении деталей для изменения структуры и свойств стали применяют различные операции термообработки и химико-термической обработки. Упрочняющей термообработке (ТО) подвергается большинство стальных заготовок. Конструкторы стараются повысить твердость многих стальных деталей, так как это позволяет снизить габариты многих узлов. ТО усложняет технологический процесс, но ее применение – необходимость в современном производстве.

При изготовлении высокопрочных нагруженных болтов после ТО необходимо включить в технологический процесс операцию, которая позволяет вести обработку резьбы на заготовке повышенной твердости. К таким операциям относится точение и вихревое нарезание резьб с помощью твердосплавных резцов, а также шлифование. Если данные операции невозможно выполнить в силу технический, организационных или экономических причин, то резьбу выполняют за две операции:

1. обработка резьбы до ТО;

2. финишная операция после ТО;

Но так как в условии задачи нас не просят рассчитать технологический процесс, то опустим этот вопрос.

В данном случае мы проведем улучшение нашей стали.

Улучшение — комплексная термическая обработка металлов, включающая в себя закалку и последующий высокий отпуск.

Все легирующие элементы, за исключением Μn, препятствуют росту аустенитного зерна при нагреве. Особенно сильное влияние на уменьшение роста аустенитного зерна оказывают элементы, обра­зующие в сталях карбиды (Сr, Mo): карбиды располагают­ся по границам зерна и затрудняют его рост при нагреве. Таким образом, легированные стали (за исключением марганцовистых) при термической обработке не склонны к перегреву. Нагревать их можно до более высоких температур, чем углеродистые стали.

Таким образом, установим температуру закалки равной 850°С.

Время выдержки устанавливается несколько большее, чем для углеродистых сталей, так как легированная сталь обладает худшей теплопроводностью и полный прогрев изделия требует боль­шего времени. Кроме того, для получения лучших механических свойств необходима выдержка, чтобы полностью растворились леги­рованные карбиды в аустените. Обычно ориентировочно выдержку детали принимают из расчета 1 минуту на 1 миллиметр толщины для нагрева и дополнительно 1 минута на 1 миллиметр толщины для выравнивания температуры по сечению и прохождения всех структурных и фазовых превращений. Для данной детали примем выдержку равной около 1,5 часа.

Для получения структуры мартенсита требуется переохладить аустенит путем быстрого охлаждения ста­ли, находящейся при температуре наименьшей устойчивости аусте­нита, то есть при 650 - 550° С. А в зоне температур мартенситного превращения, то есть при температуре ниже 240°С, наоборот, выгоднее применять замедленное охлаждение, так как образующиеся структурные напряжения успевают выровняться, а твердость образовавшегося мартенсита практически не снижается.

В качестве охлаждающей среды выбираем нефтяное масло. Масло как закалочная среда имеет следующие преимущества: небольшую скорость охлаждения в мартенситном интервале температур, что уменьшает возникновение закалочных дефектов, и постоянство закаливающей способности в широком интервале температур среды (20-150°С). Также можно использовать 8-12% водные растворы NaCl и NaOH, которые хорошо зарекомендовали себя на практике. Они обладают наиболее высокой и равномерной охлаждающей способностью.

После закалки необходимо произвести высокий отпуск при температуре равной 600-620 °С.

Стоит учесть, что наша сталь склонна к отпускной хрупкости 2-го рода. Этому дефекту способствуют хром (Cr), марганец (Mn) и фосфор (P). Уменьшает склонность к этому дефекту молибден (Mo). Поэтому нам необходимо использовать быстрое охлаждение после отпуска, и нашей охлаждающей средой будет вода.

Так как в структуре стали сохраняется некоторое количество остаточного аустенита, в аустенит имеет невысо­кую твердость (НВ 170 - 220), то такая закаленная сталь обладает несколь­ко меньшей твердостью и пониженной износоустойчивостью. Значи­тельного превращения остаточного аустенита в мартенсит отпуском не удается добиться. Исследования, проведенные советскими уче­ными, показали, что превращения остаточного аустенита в мартенсит можно достигнуть глубоким охлаждением до -65, -70°С. После выдержки изделий при низких температурах в течение 1-2 часов в их структуре происходит полное превращение остаточ­ного аустенита в мартенсит, и твердость, а вместе с ней и износоус­тойчивость изделий повышаются.

Структурные превращения при термической обработке

Чтобы описать структурные превращения, сначала нужно определить структурный класс нашей стали. При низком содержании углерода и большом количестве легирующего элемента, ограничивающего область существования аустенита (Cr, Mo, Si), образуется сталь, относящаяся к ферритному классу. Структура такой стали при всех температурах состоит из легированного феррита, чаще с некоторым количеством карбидов.

На изображении выше мы видим ферритные зерна с карбидными вкраплениями.

При полной закалке сталь переводят в однофазное аустенитное состояние, то есть нагревают выше верхней критической температуры А_С3 примерно на 50-60°С.

Последующее охлаждение в масле со скоростью большей, чем _кр (наименьшая скорость охлаждения, при которой аустенит превращается в мартенсит), обеспечивает получение мелкозернистого мартенсита.

Рассмотрим превращения, происходящие в стали, при нагреве исходной структуры Ф + П. На практике при обычных скоростях нагрева (электропечи) под закалку перлит сохраняет свое пластинчатое или зернистое строение до температуры Aс₁. При температуре Ас₁, в стали происходит превращение перлита в аустенит. Кристаллы (зерна) аустенита зарождаются в основном на границах фаз феррита и цементита. При этом параллельно развиваются два процесса: полиморфный переход Fe_ Fe_ и растворение цементита в аустените. По мере повышения температуры происходит растворение свободного феррита в аустените. При достижении температуры Ас₃ закончится растворение феррита, и структура будет полностью состоять из аустенита. Наша сталь не боится перегрева из-за легирующих веществ, сдерживающих рост зерна аустенита, поэтому при температуре 650°С образуется мелкозернистая структура.

Рассмотрим превращения, происходящие в стали, при быстром охлаждении аустенитной структуры, опуская нашу сталь в нефтяное масло. В легированных сталях, благодаря присутствию специальных элементов, для образования мартенсита не требуется столь большой скорости охлаждения, как для углеродистых, и   мартенсит   образуется   при охлаждении в масле. Мартенситное превращение интенсивно протекает при непрерывном охлаждении в интервале температур от Мн до Мк.