ДЗ Матвед СМ8 Шевченко (864537), страница 2

Просмтор этого файла доступен только зарегистрированным пользователям. Но у нас супер быстрая регистрация: достаточно только электронной почты!

Текст из файла (страница 2)

Таблица 5. Состав стали 40Х

Используется для изготовления осей, валов, штоков, плунжеров, болтов, втулок и других улучшаемых деталей повышенной прочности.

ТО – закалка 850 ºC (масло), высокий отпуск 600 ºC (вода)

σ_0,2 = 720 МПа

KCU = 147 Дж/см²

HB = 265

Таблица 6. Прокаливаемость стали 40Х

Отметим, что среди ранее отобранных сталей эта сталь является наиболее экономически выгодным вариантом, т.к. содержит минимальное количество по сравнению с двумя другими сталями легирующих элементов. По условию задания она, как и сталь 30ХН3А, не удовлетворяет заданным прочности и твердости. И если твердость поверхности мы можем повысить с помощью ТО, то неудовлетворение условиям прочности - критерий непригодности.

30ХГСА

Таблица 7. Состав стали 30ХГСА

Используется для изготовления различных улучшаемых деталей: осей, валов, толкателей, фланцев, зубчатых колёс, толкателей.

ТО – закалка 880 ºC (масло), высокий отпуск 600 ºC (вода)

σ_0,2 = 940 МПа

KCU = 137 Дж/см²

HB= 300

Таблица 8. Прокаливаемость стали 30ХГСА

Отметим, что сталь 30ХГСА удовлетворяет заданным условиям прочности и ударной вязкости, и после последующей термообработки будет удовлетворять условиям твердости поверхности.

Исходя из данных выше, можно сделать вывод о том, что сталь 30ХН3А удовлетворяет по своим показателям ударной вязкости, но при всем этом не удовлетворяет показателям твердости и прочности, а также является очень дорогим вариантом по сравнению с другими. Сталь 40Х не удовлетворяет по своим показателям прочности и твердости, однако имеет очень большое преимущество по сравнению с предыдущей - она намного дешевле из-за меньшего количества легирующих элементов, входящих в ее состав. Сталь 30ХГСА является самым оптимальным вариантом - она удовлетворяет заданным требованиям прочности и ударной вязкости. Требуемый уровень твердости поверхности можно получить последующей термообработкой. При условии серийного производства гораздо более выгодно будет добиться требуемой твердости с помощью ТО, чем повышать эти характеристики с помощью легирующих элементов, таким образом повышая стоимость стали. Таким образом, выбираем сталь 30ХГСА.

Основой стали является железо (Fe).

Рассмотрим влияние элементов химического состава:

Хром (Cr) – благодаря своей относительной дешевизне нашел применение в качестве легирующего элемента. Повышает твердость стали, прочность, ударную вязкость (при содержании до 2 %, что соответствует рассматриваемому случаю). Как и многие легирующие элементы, увеличивает прокаливаемость стали и снижает критическую скорость охлаждения – закалку стали, легированные хромом, можно проводить с охлаждением в масле. Следует быть осторожным – зачастую стали, легированные хромом, имеют склонность к отпускной хрупкости.

Кремний (Si) – при содержании от 1 % кремний является в стали легирующей добавкой, повышающей ее прочность и упругость. В данном случае, поскольку содержание кремния не превышает 0.37 %, его влияние на механические характеристики выражено слабо, в большей степени выражена его раскислительная способность: кремний связывает кислород в стали в процессе выплавки, его оксид в виде шлака всплывает на поверхность расплава и удаляется.

Марганец (Mn) – при содержании до 1 %, как и кремний, не оказывает существенного влияния на свойства стали, в большей степени выражена его раскислительная способность. Кроме того, марганец способствует связыванию серы, с которой марганец образует тугоплавкие соединения, влияние которых выражено гораздо слабее серы либо не выражено вовсе.

Никель (Ni) – полезная примесь, присутствующая в стали. Удаление никеля из стали нецелесообразно – он в значительной степени улучшает ее прокаливаемость, повышает ударную вязкость и снижает порог хладноломкости. Ценное влияние никеля на качество стали более ярко выражено при больших концентрациях, однако в силу того, что никель – достаточно дорогая легирующая добавка, его применяют реже, чем хром, поэтому стали, легированные никелем, имеют более высокую цену, чем стали, не имеющие в своем составе никеля.

Медь (Cu) – легирующая добавка для многих строительных сталей, поскольку повышает антикоррозионные свойства. Влияние меди более выражено при ее содержании от 1 % в стали, при меньшем содержании ее влияние слабо выраженно, но и в то же время удалять ее из стали для подобных заданному изделий нет смысла.

Сера (S) – вредная, но неизбежная примесь в стали. Сера образует с железом эвтектику, плавящуюся при температуре 988 ºC и располагающуюся по границам зерен, поэтому при температурах ковки (750-1260 ºC) происходит ее расплавление, из-за чего зерна стали оказываются несвязанными друг с другом. Это приводит к образованию трещин при проведении ковки. Склонность стали к образованию трещин при ковочных температурах называют красноломкостью. Сера, помимо красноломкости, способствует снижению износостойкости и коррозионной стойкости стали. Для снижения содержания серы в стали применяют раскисление марганцем.

Фосфор (P) – образует с железом фосфиды железа – хрупкие промежуточные фазы, не обладающие высокой твердостью. Являясь поверхностно-активным элементом, фосфор в виде его соединения с железом располагается по границам зерен, что приводит к снижению пластичности стали и повышению ее порога хладноломкости. Дефосфация металла происходит на стадии кислородно-конвертерного процесса, также применяется раскисление негашеной известью (CaO), которая связывает фосфор и выводит его в шлак.

Зная точный химический состав стали, можно приступить к разработке режима ее упрочняющей термической обработки применительно к конкретному изделию - заданной оси велосипедного колеса.

ЭТАП 4. Разработка режима упрочняющей термической обработки выбранной стали в соответствии с требованиями задания.

В соответствии с заданием к свойствам материала оси предъявляются сложные требования. Сталь на поверхности должна обладать высокой твердостью и прочностью для обеспечения износостойкости, при этом достаточной ударной вязкостью в сердцевине. Очевидно, что такое сочетание свойств получается при закалке, которая сможет обеспечить структуру максимальной твердости, и высокого отпуска, который понизит твердость до оптимальной, вследствие чего повысит ударную вязкость. Однако, заданную твердость на поверхности (49-52 HRC) сможет обеспечить только термическая или химико-термическая обработка уже улучшенной стали.

При рассмотрении разных вариантов термообработки, было проанализировано, что наиболее подходящим вариантом будет поверхностная закалка с нагревом токами высокой частоты. Среди ее преимуществ можно отметить высокую скорость нагрева, производительность, а так же отсутствие окисленного и обезуглероженного слоя, малые деформации детали, что позволяет избежать использования чистовой механической обработки. Можно заметить, что ХТО является более дорогим вариантом обработки. И хотя для серийного производства он будет подходящим, у каждого из самых распространенных вариантов есть свои существенные недостатки.

Азотирование требует длительной выдержки, сам процесс выходит довольно дорогостоящим. Кроме того, при газовом азотировании мы имеем дело с опасным газом - аммиаком, а при ионном азотировании возникают сложности с обработкой, т.к. для него требуется специальное оборудование.

Если рассматривать различные варианты цементации, можно отметить, что, например, цементация в твердом карбюризаторе требует обязательную чистовую обработку и является неуправляемым и не автоматизированным процессом (важный критерий при серийном производстве), а для газовой цементации требуется специальное оборудование.

Науглероживание и азотирования являются дорогими и долгими процессами, в то же время есть наиболее подходящий и дешевый - закалка ТВЧ + низкий отпуск.

Таким образом, приходим к выводу, что лучшим вариантом обработки стали 30ХГСА является улучшение + закалка ТВЧ с низким отпуском. Проанализируем подробнее каждый этап обработки стали. Первый шаг - это определение температур критических точек:

Таблица 9. Температура критических точек стали 30ХГСА

Закалка

Закалка при температуре 880 ºC через масло (оптимальная температура закалки Ac₃ + 30…50 ºC (критическая точка Ac3 = 830 ºC для стали 30ХГСА)).

При промышленных скоростях нагрева перлит вплоть до температуры Ас₁ сохраняет пластинчатое строение. При достижении температуры Ас₁ начинается превращение перлита в аустенит. Кристаллы аустенита зарождаются преимущественно на межфазных поверхностях раздела феррита с цементитом. Превращение состоит из двух параллельно идущих процессов: полиморфного переход из альфа железа в гамма железо и растворения в гамма железе кристаллов цементита. Поскольку в каждой перлитной колонии зарождается несколько центров кристаллизации, превращение при температуре Ас1 сопровождается измельчением зерна стали. Эта очень важная особенность фазовой перекристаллизации широко используется в практике термической обработки, связанных с нагревом стали до аустенитного состояния. В доэвтектоидных сталях при нагреве от Ас1 до Ас3 происходит превращение избыточного феррита в аустенит, растворение продуктов распада избыточного цементита в аустените. Процесс сопровождаются диффузией углерода, приводящей к выравниванию концентрации и небольшому укрупнению зерен аустенита.В заэвтектоидных сталях (в поверхностном слое) при нагреве от Ас1 до Ас3 происходит превращение цементит в аустенит, мы получим более однородную структуру. Однако также происходит и выравнивание концентрации углерода от поверхности в сердцевину.

Сталь резко охлаждают для достижения перенасыщенного раствора с максимально неравновесной структурой (среда для охлаждения выбирается в зависимости от химического состава закаливаемой стали); для снятия внутренних напряжений, повышения вязкости и пластичности.

В результате закалки образуется структура, названная мартенситом закалки.

Отпуск

Высокий отпуск при температуре 580-600 ºC с последующим охлаждением в воде, т.к. для стали 30ХГСА характерна отпускная хрупкость 2 рода.

Выбор температуры отпуска обосновывается на основании таблицы, приведенной в марочнике сталей для стали 30ХГСА, в которой расписаны характеристики стали в зависимости от температуры отпуска.

Отпуск – окончательная термообработка стали для повышения пластичности и вязкости; различают 3 вида отпуска: низкий (температура нагрева от 150 ºC до 300 ºC, в результате проведения низкого отпуска частично снимаются закалочные напряжения, и получается структура мартенсит отпуска, данный вид отпуска используется для инструментальных сталей после закалки токами высокой частоты или же после цементации (при проведении низкого отпуска возможно такое явление как отпуская хрупкость первого рода, возникающая в области температур от 250 ºC до 350 ºC для любых сталей, вследствие чего данный температурный интервал при проведении отпуска следует избегать), средний (температура нагрева от 300 ºC до 450 ºC, в результате среднего отпуска получают высокую твердость с хорошей упругостью и вязкостью, и получается структура троостит отпуска, данный вид отпуска используется для изделий типа пружин и рессоры), высокий (температура нагрева от 450 ºC до 650 ºC), в результате высокого отпуска получают высокую твердость и повышенную ударную вязкость (при проведении высокого отпуска возможно такое явление как отпускная хрупкость второго рода, которая предполагает при медленном охлаждении в интервале температур от 500 ºC до 600 ºC провал по KCU, что можно избежать с помощью резкого охлаждения в данном температурном интервале).

С помощью закалки получается пересыщенный твердый раствор с мелкозернистой структурой, в процессе последующего отпуска распадается мартенсит (то есть происходит выделение углерода в виде карбидов), а также распадается остаточный аустенит, совершаются карбидные превращения и коагуляция карбидов, уменьшаются несовершенства кристаллического строения α-твердого раствора и остаточные напряжения.

В результате проведенного отпуска получаем структуру сорбит отпуска. Данная структура обеспечивает лучшее сочетание прочности и ударной вязкости стали. В сорбите отпуска цементит приобретает зернистую форму в отличие от сорбита, полученного после нормализации, в котором цементит имеет пластинчатое строение. Благодаря этому существенно повышается ударная вязкость при одинаковой или даже более высокой твердости по сравнению со сталью.

Закалка ТВЧ

Метод нагрева ТВЧ основан на том, что если в переменное элек­тромагнитное поле, создаваемое проводником-индуктором, поместить металлическую деталь, то в ее поверхностных слоях будут индуктироваться вихревые токи, вызывающие нагрев металла. Скорость нагрева зависит от количества выделившегося тепла. Рассмотрим подробнее.

Характеристики

Список файлов домашнего задания