Материал: Термическая обработка деталей

Рисунок 2 - Микроструктура легированых сталей.

2.6 Критические температуры стали ШХ 4

Ac1 = 724°С, Ac3(Acm) = 900°С, Ar3 (Arcm) = 713°С, Ar1 = 700°С, Mn = 210°С.

.7 Механические свойства при t = 20 °С

Таблица 3 - Механические свойства стали ШХ 4

2.8 Технические условия на готовую деталь

. Твердость после ТО: 62 HRC.

. Структура в состоянии поставки - зернистый перлит.

. Микроструктура после термообработки - мартенсит.

3. Разработка операций термической обработки детали

Общее представление о превращениях, которые протекают в стали при нагреве, можно получить из диаграммы состояния Fe-Fe3C. При нагреве эвтектоидной стали (0,8 % С) несколько выше критической точки AС1 перлит (ферритно-карбидная структура) превращается в аустенит:

Ф + Fe3C → A

Превращение состоит из двух одновременно протекающих процессов: полиморфного α → γ перехода и растворения в аустените цементита.

При нагреве доэвтектоидной стали выше температуры критической точки АС1 после превращения перлита в аустенит образуется двухфазная структура - аустенит и феррит. При дальнейшем нагреве в интервале температур АС1 - АС3 феррит постепенно превращается в аустенит: содержание углерода в аустените при этом уменьшается в соответствии с линией GS. При температуре АС3 феррит исчезает, а концентрация углерода в аустените соответствует содержанию его в стали. Аналогично протекает превращение и в заэвтектоидной стали. При температуре несколько выше критической точки АС1 (727 °С) перлит превращается в аустенит. В интервале температур Аc1 -Аcm происходит растворение избыточного цементита. Выше температуры Аст будет только аустенит, содержание углерода в котором соответствует его содержанию в стали. Наличие легирующих компонентов в стали приводит к сдвигу критических точек, при которых происходят полиморфные превращения.

Перлитное превращение переохлажденного аустенита протекает при температурах Ar1 - 500°С. В процессе превращения происходит полиморфное γ→α превращение н диффузионное перераспределение углерода в аустените, что приводит к образованию ферритно-цементитной структуры:

А →Ф+ Fe3C.

Аустенит, практически однородный по концентрации углерода, распадается с образованием феррита (почти чистое железо) и цементита, содержащего 6,67 % С, т. е. состоит из фаз, имеющих различную концентрацию углерода. Ведущей, в первую очередь возникающей фазой при этом является карбид (цементит). Его зародыши, как правило, образуются на границах зерен аустенита.

В результате роста частиц этого карбида прилегающий к нему объем аустенита обедняется углеродом, снижает свою устойчивость и испытывает полиморфное γ → α превращение. При этом кристаллики феррита зарождаются на границе с цементитом, который облегчает этот процесс.

Последующий рост ферритных пластинок ведет к обогащению окружающего аустенита углеродом, что затрудняет дальнейшее развитие γ → α превращения.

Для снижения твердости до НВ 178-207 и получения структуры зернистого перлита, обеспечивающей хорошую обрабатываемость, заготовки подвергают отжигу при 780-800° С с последующим медленным охлаждением (15-25° С/ч) в интервале температур, что приводит к образованию мелкозернистого перлита, такая структура обладает низкой твердостью.

Закалкой называется операция термической обработки, состоящая из нагрева до температур выше нижней критической точки АС1 для заэвтектоидной стали и выдержки при данной температуре с последующим быстрым охлаждением (в воде, масле, водных растворах солей и пр.).

В результате закалки и отпуска сталь получает структуру мартенсита и благодаря этому становится твердой.

Отпуск для легированных сталей производиться при температуре до 250°С. В этом случае при низкой интенсивности диффузных процессов в мартенсите происходит только начальная стадия к его переходу в равновесное состояние. При низком отпуске мартенсит лишь частично освобождается от пересыщающих его решетку атомов углерода. Поэтому основу мартенсита отпуска составляет все еще пересыщенный твердый раствор углерода в α-Fe. Однако в нем несколько уменьшается число охрупчивающих его трехцентровых ковалентных Fe-C-Fe-связей. Освобождающийся при этом углерод еще не может образовывать стабильного карбида железа в виде частиц цементита Fe3C, обособившихся от кристаллической решетки мартенсита. Поэтому в мартенсите отпуска образуются лишь высокодисперсные частички карбидов промежуточного состава (FexC), когерентно связанные с его решеткой (такая связь означает, что пограничные атомы этих карбидных образований одновременно входят в состав ячеек матричной решетки мартенсита).

Таким образом, образующийся в результате низкого отпуска отпущенный мартенсит Мо обладает более благоприятным комплексом механических свойств, сочетающим высокий уровень твердости с некоторым, хотя и не большим запасом вязкости и пластичности.

Режимы закалки определяются скоростью и температурой нагрева, длительностью выдержки при этой температуре и особенно скоростью охлаждения.

Выбор температуры закалки.

Температура нагрева стали для закалки, зависит в основном от химического состава стали.

Для заэвтектоидной стали наилучшая температура закалки - на 20-30° выше АС1 , т. е. неполная закалка. В этом случае сохранение цементита при нагреве и охлаждении будет способствовать повышению твердости, так как твердость цементита больше твердости мартенсита. Нагревать заэвтектоидную сталь до температуры выше Аст не следует, так как твердость получается меньшей, чем при закалке с температуры выше АС1,за счет растворения цементита и увеличения количества остаточного аустенита. Кроме того, при охлаждении с более высоких температур могут возникнуть большие внутренние напряжения.

Скорость охлаждения.

Для получения структуры мартенсита требуется переохладить аустенит путем быстрого охлаждения стали, находящейся при температуре наименьшей устойчивости аустенита, т. е.при 650-550° С.

В зоне температур мартенситного превращения, т. е, ниже 240°С, наоборот, выгоднее применять замедленное охлаждение, так как образующиеся структурные напряжения успевают выравняться, а твердость образовавшегося мартенсита практически не снижается.

Правильный выбор закалочной среды имеет большое значение для успешного проведения термической обработки.

Наиболее распространенные закалочные среды - вода, 5-10%-ный водный раствор едкого натра или поваренной соли и минеральное масло. Для закалки углеродистых сталей можно рекомендовать воду с температурой 18° С; а для закалки большинства легированных сталей - масло.

Нагрев под закалку шариков диаметром до 50 мм производится в муфельных печах, шариков диаметром большего размера - в соляных ваннах или на противнях в карусельных, конвейерных или рольганговых печах.

Мелкие шарики диаметром до 12 мм закаливаются в масле, шарики всех остальных размеров - в водных растворах. Для предотвращения мягких поверхностных трооститовых пятен, наличие которых обусловлено образованием на поверхности шариков паровой рубашки, в воду добавляется 3,5-5 % соды, а также широко применяется механическое удаление паровой рубашки путем перекатывания шариков диаметром от 50 мм и выше в качающемся или вращающемся устройстве или перемещения шариков меньшего размера (диаметром от 12 до 50 мм) о вертикально расположенному в виде винтовой линии устройству, удлиняющему путь движения шариков (ГПЗ-1). В зону охлаждения дополнительно направляются интенсивные потоки водно-содового раствора.

Шарики диаметром более 80 мм нагревают в соляной ванне и охлаждают в 10 %-ном водном растворе NaCl.

Нагрев роликов под закалку производится в муфельных печах, в печах с пульсирующем подом или рольганговых печах. Охлаждающая среда - масло 30-60 °С.

Закалке в горячие среды подвергают также тонкостенные кольца для избежания коробления, которое может возникнуть даже под собственным весом при неаккуратной выгрузке из печи. Применение закалочной среды с повышенной температурой позволяет снизить перепад температуры и замедлить скорость охлаждения при мартенситном превращении, что приводит к одновременному превращению по всему объему закаливаемой детали, вследствие чего уменьшаются напряжения и возможная деформация. Для этой цели на практике чаще всего используют масло с температурой 100-120 °С.

Термическая обработка шариков и роликов. Высокие требования, предъявляемые к твердости и однородности структуры на поверхности шариков и роликов, заставляют внимательно относиться к выбору закалочного оборудования. Наилучшими агрегатами для нагрева под закалку шариков и роликов мелких и средних размеров (шариков диаметром до 50 мм и роликов диаметром до 30 мм) являются барабанные печи (с вращающимся муфелем). В них шарики и ролики движутся поступательно и вращаются, что обеспечивает равномерный нагрев.

После закалки шарики и ролики подвергают отпуску (не позже 3 ч после закалки) при 150-160° С с выдержкой в течение 2-6 ч (в зависимости от диаметра). Твердость после закалки и отпуска HRC 62-65, а микроструктура - скрытокристаллический мартенсит и карбиды.

4. Оборудование для термической обработки

К основному оборудованию термического участка относятся нагревательные печи, печи-ванны, установки для получения искусственных атмосфер, индукционные закалочные установки, закалочные баки, то есть оборудование, с помощью которого выполняют основные технологические операции.

Оборудование для отжига и закалки - камерная электропечь сопротивления СНЗ-6.12.4/10М1. Техническая характеристика представлена в таблице 4.

Таблица 4 - Техническая характеристика камерной электропечи сопротивления

Поверхностный нагрев деталей производят тогда, когда в результате поверхностной закалки требуется получить высокую твердость наружных слоев при сохранении мягкой сердцевины. Чаще всего закаливают наружный

слой трущихся деталей машин. Наиболее совершенным способом поверхностной закалки является закалка в специальных установках с нагревом токами высокой частоты ТВЧ. Этот способ нагрева очень производителен, может быть полностью автоматизирован и позволяет получать при крупносерийном производстве стабильное высокое качество закаливаемых изделий при минимальном их короблении и окислении поверхности. Известно, что с увеличением частоты тока возрастает скин-эффект; плотность тока в наружных слоях проводника оказывается во много раз большей, чем в сердцевине. В результате почти вся тепловая энергия выделяется в поверхностном слое и вызывает его разогрев. Нагрев деталей ТВЧ осуществляется индуктором. Если деталь имеет небольшую длину (высоту), то вся ее поверхность может быть одновременно нагрета до температуры закалки. Если же деталь длинная, нагрев происходит последовательно путем перемещения изделия относительно индуктора с рассчитанной скоростью

5. Дефекты термической обработки

Неправильно проведенная закалка может вызвать различные дефекты. Наиболее распространенные из них: недостаточная твердость, мягкие пятна, повышенная хрупкость, обезуглероживание и окисление поверхности, коробление, деформации и трещины.

Недостаточная твердость закаленной детали может быть из-за недогрева (низкая температура в печи, недостаточная выдержка при правильной температуре в печи) или недостаточно интенсивного охлаждения. В первом случае мартенсит не обладает достаточной твердостью (не содержит достаточно углерода); во втором - не переохлаждается до мартенситного превращения, и структура полностью или частично состоит из продуктов перлитного распада аустенита (тростит, сорбит).

Повышение температуры печи или увеличение выдержки в первом случае устраняет пониженную твердость закаленных деталей. Во втором случае следует применять более интенсивное охлаждение, т. е. во время закалки энергично перемещать деталь в закалочной жидкости или применять вместо простой воды соленую или подкисленную.

Образование мягких пятен также является следствием недостаточного прогрева или недостаточно интенсивного охлаждения. Методы устранения такие же, как указаны выше.

Иногда мягкие пятна появляются из-за неоднородности исходной структуры, например скоплений феррита. В этих местах при нагреве до температуры закалки может сохраниться феррит или получиться аустенит с недостаточной концентрацией углерода. Естественно, что в этих местах даже при правильно проведенной закалке твердость недостаточная. Предварительная термическая обработка (нормализация), создающая более однородную структуру, устраняет этот дефект.

Повышенная хрупкость - дефект, обычно появляющийся в результате закалки от слишком высоких температур (более высоких, чем это требуется), при которых произошел значительный рост зерен аустенита. Дефект обнаруживается механическими испытаниями по излому или по микроструктуре. Устраняют дефект повторной закалкой от нормальных температур для данной стали.

Окисление и обезуглероживание поверхности часто происходит при нагреве в пламенных или электрических печах без контролируемой атмосферы. Поэтому дают припуск на шлифование, что удорожает и усложняет технологию изготовления термически обрабатываемых деталей. Контролируемая искусственная атмосфера в термических печах является радикальным способом устранения или уменьшения этого дефекта.

Нагрев в солях также способствует уменьшению окисления и обезуглероживания.

Деформация, коробление и трещины являются следствием внутренних напряжений.

Медленное охлаждение при закалке в области мартенситного превращения - самый эффективный способ уменьшения напряжений и устранения дефектов этого вида. Мелкие детали, так же как и простые по форме, без острых углов и резких переходов, менее склонны к короблению. Более сложные по форме детали целесообразно изготавливать из легированных, закаливаемых в масле сталей, чем из углеродистых, закаливаемых в воде.

Заключение

В курсовой работе разобраны теоретические и практические вопросы, связанные с назначением режимов термической обработки для детали подшипника (шарик), выполненного из стали ШХ 4РП, для обеспечения заданной твердости.

Библиографический список

1. Лахтин Ю.М., Леонтьев В.П. Материаловедение: Учебник для высших технических учеб. завед. - 3-е изд., перераб. и доп. - М.: Машиностроение, 1990. - 528 с.

. Гуляев А. П. Металловедение: Учебник для вузов. - 6-е изд., перераб. и доп. - М.: Металлургия, 1986. - 544 с.

. Лахтин Ю. М. Металловедение и термическая обработка металлов: Учебник для вузов.- 4-е изд., перераб. и доп.- М.: Металлургия, 1993.- 448 с.

. Журавлев В. Н., Николаева О. И. Машиностроительные стали: Справочник. - 4-е изд., перераб. и доп. - М.: Машиностроение, 1992. - 480 с.