Температура точки Ас3 для стали 40 составляет 790°с.

Если доэвтектоидную сталь нагреть выше А_с1, но ниже А_с3, то в ее структуре после закалки наряду с мартенситом будут участки феррита. Присутствие феррита как мягкой составляющей снижает твердость стали после закалки. При нагреве до температуры 760°С (ниже точки А_с3) структура стали 40 – аустенит + феррит, после охлаждения со скоростью выше критической структура стали – мартенсит + феррит.

Рисунок 5 – Фрагмент диаграммы железо-углерод

 

Аустенит неоднороден по химическому составу. В тех местах, где были пластинки цементита, аустенит богаче углеродом, а где пластинки феррита – беднее. Поэтому при термической обработке для выравнивания химического состава зерен аустенита сталь нагревают немного выше критической точки А_с3 (на 30-50°С) и выдерживают некоторое время при этой температуре. Процесс аустенизацииидет тем быстрее, чем выше превышение фактической температуры нагрева под закалку относительно температуры А_с3. Доэвтектоидные стали для полной закалки следует нагревать до температуры на 30-50°С выше А_с3. Температура нагрева стали 40 под полную закалку, таким образом, составляет 820-840°С. Структура стали 40 при температуре нагрева под закалку – аустенит, после охлаждения со скоростью выше критической – мартенсит.

Если нагреть выше этой температуры мелкие зерна аустенита начинают соединяться между собой и чем выше температура нагрева, тем интенсивнее увеличиваются размеры. Крупнозернистая структураухудшает механические свойства стали.

Поэтому следует отдать предпочтение закалке от температуры 840 ºС.

6. Выберите углеродистую сталь для изготовления развёрток. Назначьте режим термической обработки, опишите сущность происходящих превращений, структуру и свойства инструмента.

Инструментальная сталь углеродистая используется для изготовления инструмента (сверла, метчики, развертки, напильники и др.), работающего в относительно легких условиях резания (небольшие скорости, температура нагрева инструмента не выше 2000C).

         В зависимости от химического состава сталей, размером поковок и требований, предъявляемых к готовым деталям машин, возможно применение следующих видов термической обработки сталей

Термической обработкой называется технологический процесс, состоящий из совокупности операций нагрева, выдержки и охлаждения изделий из металлов и сплавов, целью которого является изменение их структуры и свойств в заданном направлении.

Резкое увеличение твердости и прочности в процессе закалки происходит из-за фазовых превращений структуры в процессе нагрева и охлаждения и образования неравновесных твердых структур.

К основным физическим свойствам сталей относятся удельный вес, теплоемкость, температура плавления и теплопроводность; к механическим – прочность, твердость, пластичность, вязкость, ковкость, упругость; к технологическим – свариваемость и закаливаемость.

 7. В результате термической обработки шестерни должны получить твердый износоустойчивый поверхностный слой при вязкой сердцевине. Для их изготовления выбрана сталь 12ХНЗА. Укажите состав и определите группу стали по назначению. Назначьте режим термической и химико-термической обработки, приведите его обоснование, объяснив влияние легирования на превращения, происходящие на всех этапах обработки данной стали. Опишите структуру и свойства стали после термической обработки.

В настоящее время участок механической обработки шестерен может изготавливать широкую номенклатуру зубчатых колес со следующими характеристиками.

Прокаливаемость стали 12ХНЗА после торцовой закалки с 860° С в зависимости от температуры отпуска закаленных образцов в течение 1ч

Все стали имеют свою маркировку,

отражающую в первую очередь их химический состав. В маркировке стали первой цифрой указано содержание углерода в сотых долях процента. Затем следуют буквы русского алфавита, обозначающие наличие легирующего элемента. Если за буквой цифры нет, это означает, что содержание легирующего элемента составляет не более одного процента, а следующие за буквой цифры (цифра) означают содержание его в процентах.

Химико-термической обработкой (ХТО) называется термическая обработка, заключающаяся в сочетании термического и химического воздействия с целью изменения состава, структуры и свойств поверхностного слоя стали.

Химико-термическая обработка является одним из наиболее распространенных видов обработки материалов с целью придания им эксплуатационных свойств. Наиболее широко используются методы насыщения поверхностного слоя стали углеродом и азотом как порознь, так и совместно. Это процессы цементации (науглероживания) поверхности, азотирования — насыщения поверхности стали азотом, нитроцементации и цианирования — совместного введения в поверхностные слои стали углерода и азота. Насыщение поверхностных слоев стали иными элементами (хромом — диффузионное хромирование, бором — борирование, кремнием — силицирование и алюминием — алитирование) применяются значительно реже.

Процесс химико-термической обработки представляет собой многоступенчатый процесс, который включает в себя три последовательные стадии:

1. Образование активных атомов в насыщающей среде вблизи поверхности или непосредственно на поверхности металла. Мощность диффузионного потока, т. е. количество образующихся в единицу времени активных атомов, зависит от состава и агрегатного состояния насыщающей среды, которая может быть твердой, жидкой или газообразной, взаимодействия отдельных составляющих между собой, температуры, давления и химического состава стали.

2. Адсорбция (сорбция) образовавшихся активных атомов поверхностью насыщения. Адсорбция является сложным процессом, который протекает на поверхности насыщения нестационарным образом. Различают физическую (обратимую) адсорбцию и химическую адсорбцию (хемосорбцию). При химико-термической обработке эти типы адсорбции накладываются друг на друга. Физическая адсорбция приводит к сцеплению адсорбированных атомов насыщающего элемента (адсорбата) с образовываемой поверхностью (адсорбентом) благодаря действию Ван-дер-Ваальсовых сил притяжения, и для нее характерна легкая обратимость процесса адсорбции — десорбция. При хемосорбции происходит взаимодействие между атомами адсорбата и адсорбента, которое по своему характеру и силе близко к химическому.

3. Диффузия — перемещение адсорбированных атомов в решетке обрабатываемого металла. Процесс диффузии возможен только при наличии растворимости диффундирующего элемента в обрабатываемом материале и достаточно высокой температуре, обеспечивающей энергию необходимую для протекания процесса.

Толщина диффузионного слоя, а следовательно и толщина упрочненного слоя поверхности изделия, является наиболее важной характеристикой химико-термической обработки. Толщина слоя определяется рядом таких факторов, как температура насыщения, продолжительность процесса насыщения, состав стали, т. е. содержание в ней тех или иных легирующих элементов, градиент концентраций насыщаемого элемента между поверхностью изделия и в глубине насыщаемого слоя.

При выборе стали для изготовления зубчатых колес необходимо учитывать ее стоимость, обрабатываемость, прокаливаемость и деформацию колеса при термической обработке. Так как основным элементом зубчатого колеса является зуб, применяемые стали и методы упрочнения должны обеспечивать высокую контактную и усталостную прочность, прочность при изгибе, ударе и износостойкость зуба.

Лазерное легирование отличается от обычного лазерного упрочнения тем, что повышение твердости и других эксплуатационных показателей сталей достигается не только за счет структурных и фазовых превращений в зоне лазерного воздействия, но и путем создания нового сплава с отличным от матричного материала химическим составом. Тем не менее, в основе этого нового сплава лежит матричный материал.

Oписан высокоэффективный способ термоциклической цементации стали. Этот способ состоит из двух стадий ТЦО. На предварительной стадии выполняли 4-х—6-кратный нагрев на 30 — 50 °С выше точки А_с1 со скоростью 120—300 °С/мин и охлаждение до температур на 30—50 °С ниже точки А_г1 со скоростью порядка 60— 180 °С/мин. На стадии насыщения рекомендуется нагревать на 80— 100 °С выше точки Л_с3 и охлаждать также на 30—50 °С ниже точки A_r1, число циклов зависит от требуемой глубины насыщаемого слоя. Например, получение цементованного слоя толщиной 1 —1,2 мм достигается при 8—10 циклах. Выбранная авторами схема ТЦО обусловлена тем, что на предварительной стадии получают сверхмелкозернистое строение с фрагментированной субструктурной и высокой плотностью дефектов кристаллической решетки. Это обеспечивает необходимую неравномерность состояния стали. На стадии термоциклического насыщения эта неравномерность усиливается. Об этом свидетельствуют результаты (табл. 6.2) определения по кристаллографическим плоскостям -110) и (220) физического уширения интерференционных линий рентгенограмм стали 20Х после каждой стадии обработки. Рентгенографическое исследование выполнено на установке УРС-50ИМ.

Как известно, мартенсит и троостит являются твер­дыми структурами. Их твердость зависит от содержания углерода. При малом содержании его, полумартенситная зона имеет низкую твер­дость. Механические свойства стали 12ХНЗА после закалки с 860—870 °С в масле и отпуска при 180—200 °С в прутках диаметром И, 30 и 63 мм