«Термическая обработка металлов и сплавов»
Вариант Задания №9
Назначить режим термообработки шестерни из стали 50 с целью достижения высокой твердости и износостойкости.
Деталь: шестерня;
Марка стали: сталь 50;
Содержание углерода: 0,47-0,55 %С
Цель термообработки: Повышение твердости и износостойкости.
Назначается термическая обработка – закалка с высоким отпуском.
Закалка - температура нагрева Tзак. = Ас1 + (30-50)°С = 755°С+(30-50)°С = 785-810°C
Охлаждающая среда – вода.
Отпуск - Тот=500-650°С
Охлаждение на воздухе.
Рис. 1. "Стальной" участок диаграммы состояний сплава Fe-C
Рис. 2. Зависимость твердости закаленных углеродистых сталей с различным содержанием углерода от температуры отпуска
6. Закалка. Целью закалки является повышение твердости и прочности. Для зубчатых передач (деталь шестерня) важным является износостойкость, которая зависит от твердости.
После закалки стали с содержанием углерода 0,5%С получим твердость около 60 HRc.
В качестве охлаждающей (закалочной) среды для углеродистых сталей применяют воду.
После закалки возникают большие термические и структурные напряжения. Структура стали после закалки – мартенсит.
Для смягчения действия закалки сталь отпускают, нагревая до температуры ниже точки А1.
Отпуск. Отпуск снимает или уменьшает остаточные напряжения, повышает вязкость, уменьшается твердость и хрупкость. Различают низкий, средний и высокий отпуск.
Низкий отпуск (Тотп = 150-250°С), охлаждение на воздухе. Применяют для снятия внутренних напряжений в закаленной стали с целью повышения вязкости без заметного снижения твердости. Средний отпуск (Тотп. = 300-500°С), твердость стали, заметно понижается, вязкость увеличивается. В процессе высокого отпуска (Тотп=500-650°С) мартенсит распадается с образованием троостита, а затем и сорбита. Эти структуры обеспечивают лучшее сочетание механических свойств: повышенные прочность, вязкость и пластичность. Высокому отпуску (улучшению) подвергают среднеуглеродистые (0,3-0,5%С) конструкционные стали, к которым предъявляются высокие требования к пределу текучести, пределу выносливости и ударной вязкости. В данном случае для получения высоких показателей прочности, пластичности и ударной вязкости рекомендуется высокий отпуск.
Структурные превращения:
Исходная структура (до закалки) – Механическая смесь феррита и перлита;
Структура при нагреве выше Ас1 – Аустенит (твердый раствор углерода в γ-железе);
Структура после закалки – Мартенсит (пересыщенный твердый раствор углерода в
α-железе);
Структура после высокого отпуска – Сорбит отпуска.
Структура улучшенной стали-сорбит
Микроструктура мартенсита стали 50 после закалки
Самостоятельная работа 5.1
«Выбор марки стали в зависимости от условий работы»
Вариант Задания №9
Щёки и шары машин для дробления руды и камней работают в условиях повышенного абразивного износа, сопровождаемого ударами. Выбрать сталь для изготовления щёк и шаров, указать её химический состав и свойства, в том числе обрабатываемость резанием и поведением в работе. Указать структуру стали в готовом изделии.
2. Для щёк и шаров машин для дробления руды и камней необходимо выбрать сталь, имеющую высокое сопротивление износу, с одновременным воздействием высоких давлений или ударных нагрузок.
Износ деталей машин вообще является сложным процессом. Типовые случаи: обычное трение скольжения и абразивный износ. В первом случае металл наклепывается с поверхности, поэтому износостойкость существенно зависит от способности металла наклепываться. Во втором случае, когда частицы металла вырываются с поверхности, износостойкость определяется твердостью и сопротивлением отрыву. Износостойкость может быть повышена химико-термической обработкой.
Для таких деталей применяют износостойкие стали.
3. К таким сталям относят высокомарганцовистую литую сталь, аустенитного класса, марки 110Г13Л.
110Г13Л, содержат около 1 % С (углерода) и 12-13 % Мn (марганца), иногда такую сталь обозначают как Г13Л (1,1 % С; 3 % Мn; 0,5 % Si). Буква Л означает, что сталь литая.
Сталь 110Г13Л обладает высокой износостойкостью.
Структура этой стали после литья состоит их аустенита и избыточных карбидов (Fe, Мn)3С,
Выделяющихся по границам зерен, карбиды снижают вязкость и прочность стали.
Поэтому литые изделия подвергают закалке до 1100° С и с охлаждением в воде.
При таком нагреве растворяются карбиды, и сталь после закалки приобретает более устойчивую структуру аустенитную структуру с твердостью по Бринеллю НВ=180-220
Стали 110Г13Л обладает следующими механические свойствами:
Предел прочности, σв - 800-900 МПа
Предел текучести, σт - 310-350 МПа
Относительное сужение, φ - 30- 20 %
Относительное удлинение, δ5 - 25- 15 %
Из этих данных видно, что сталь с аустенитной структурой характеризуется низким пределом
текучести, составляющим около одной трети предела прочности.
Обрабатываемость резанием при твердости НВ 220 – коэффициент обрабатываемости Кv = 0.25
Материал резца – твердый сплав (ВК8, Т5К10, ТТ7К12 и др.).
Характерной особенностью аустенита в условиях значительных давлений и ударных нагрузок является его повышенная склонность к наклепу. При деформации на 60-70 % твердость стали 110Г13Л, увеличивается до НВ 500, что объясняется большими искажениями кристаллической решетки, дроблением блоков мозаики и образованием структуры мартенсита в поверхностных слоях.
Под действием нагрузок эта сталь становилась все тверже и тверже.
И именно самоупрочнение послужило, широкому распространению марганцовистой стали.
Благодаря высокой износостойкости марганцовистой стали, ее начали применять для изготовления тех деталей, которые в процессе эксплуатации истираются при значительном удельном давлении - рельсовых крестовин, щек дробилок, шаров шаровых мельниц, гусеничных траков и т. п.
Области применения стали 110Г13Л
Футеровка мельничная. Для грубого измельчения применяют ребристые, для тонкого - прямые или волнистые плиты. Сухари, решетки, клинья используются для создания полностью замкнутого пространства в мельнице, и также изготавливаются из 110Г13Л.
Плиты, щеки, брони дробилок. Из 110Г13Л изготавливаются быстроизнашиваемые части дробильного оборудования: плиты, щеки, брони, конуса дробилок.
Экскаваторы. На экскаваторах типа ЭКГ, ЭШ, работающих в карьерах добывающей промышленности, самыми изнашиваемыми и самыми востребованными запасными частями являются зубья ковша, кромки режущие, стенки, траки гусеничные.
Ножи (режущие кромки) отвала. На бульдозерах, грейдерах используются изнашиваемые ножи (боковые, центральные). На погрузчиках изнашиваемой деталью являются зубья ковша
Самостоятельная работа 5.2