ВВЕДЕНИЕ

Термическая обработка - процесс теплового воздействия на металлические сплавы с целью направленного изменения их структуры и свойств. Изменяются такие свойства как прочность, твердость, износостойкость, обрабатываемость или особые химические и физические свойства, а также и изменение у них напряженного состояния.

Изменение свойств осуществляется за счет изменения структуры: образование новых фаз, повышение или понижение дисперсности и равномерности распределения фаз и структурных составляющих друг в друге.

В настоящее время упрочнению термической обработкой подвергаются до 8-10% общей выплавки стали в стране, т.е. 10 млн.т. в год. В машиностроении объем термического передела составляет до 40% стали, потребляемой этой отраслью. Номенклатура упрочняемых деталей велика – от деталей приборов, разнообразных деталей машин до крупных элементов металлургического, тракторного, энергетического оборудования.

В данной курсовой работе будут рассмотрены основные этапы передела при изготовлении изделий из стали 18ХГТ и стали У7А, подобраны наиболее подходящие режимы термической обработки для деталей из этих материалов, а также изучены структурные и фазовые превращения при термической обработке.

1. Фазовые и структурные превращения при термической обработки стали 18хгт

1. Общая характеристика стали 18хгт

Сталь 18ХГТ является конструкционной, легированной, доэвтектоидной, цементируемой, низкоуглеродистой сталью.

Химический состав стали приведен в таблице 1.1.

Таблица 1.1-Химический состав стали 18ХГТ, %(ГОСТ 4543-71) [1]

C, %	Mn,%	Cr,%	Si,%	Ti,%	S,%	P,%	Cu,%	Ni,%
					Не более
0.17-0.23	0.8-1.1	1.0-1.3	0.17-0.37	0.03-0.09	0.035	0,035	0.3	0.3

Сталь 18ХГТ применяется для улучшенных или цементуемых деталей соответствующего назначения, от которых требуется повышенная прочность и вязкость сердцевины, а также высокая поверхностная твердость, работающая под влиянием ударных нагрузок. [1]

Температуры критических точек стали 18ХГТ приведены в таблице 1.2.

Таблица 1.2- Температуры критических точек стали 18ХГТ, ⁰С [1]

Ac1,0С	Ac3,0С	Ar1,0С	Ar3,0С	Мн,0С
740	825	650	730	360

Механические свойства стали 18ХГТ представлены в таблицах 1.3 - 1.6

Таблица 1.3 – Механические свойства стали 18ХГТ в зависимости от вида термической обработки [2-5]

Термическая обработка	Диаметр мм	σв	σт	δ	Ψ	KCU, Дж/см2	Твердость Сердцевины НВ
		МПа		%
Нормализация 880-950 0С	-	640	360	-	-	-	157-207
Цементация 930-950 0С Закалка с 825-840 в масле Отпуск при 180-200 0С, воздух	50	1000	800	9	-	-	285 (поверхность 57-63 HRC)
Цементация 920-950 0С Закалка с 820-860 в масле Отпуск при 180-200 0С, воздух	20	1180	930	10	50	78	341 (поверхность 57-63 HRC)
	60	980	780	9	50	78	240-300 (поверхность 57-63 HRC)

Таблица 1.4 – Механические свойства стали 18ХГТ в зависимости от сечения (закалка 850 ⁰С, масло; отпуск 200 ⁰С, воздух ) [4]

сечение	σв	σт	δ	Ψ	KCU, Дж/см2	HRC
	МПа		%
5	1520	1320	12	50	72	-
15	1180	930	13	50	78	38
20	980	730	15	55	113	30
25	980	690	19	50	93	28

Таблица 1.5 - Механические свойства стали 18ХГТ в зависимости от температуры отпуска [4-5]

Тотп	σв	σт		δ	Ψ	KCU, Дж/см2	HRC
	МПа			%
200	1370	1150		11	57	98	41
300	1330	1150		10	57	78	41
400	1210	1150		9	57	78	40
500	940	950		15	66	144	32
600	780		720	20	73	216	22

Таблица 1.6 – Ударная вязкость стали 18ХГТ [6,7]

KCU, Дж/см2
+20	-20	-40	-60
114	101	93	85

Прокаливаемость легированных сталей значительно выше, чем углеродистых. Это позволяет получать высокие механические свойства в больших сечениях. Особенностей структурных превращений в этих сталей позволяют для получения требуемых свойств широко используют все виды термической обработки. На рисунки 1.1 приведена полоса прокаливаемости для стали18ХГТ, а в таблице 1.7 приведены значения критического диаметра.

1,5 4,5 7,5 10,5 13,5 16,519,5 22,5 25,5 28,5 31,5 34,5

Рисунок 1.1 – Прокаливаемость определенная методом торцевой закалки[6]

Таблица 1.7 – Критический диаметр стали 18ХГТ [6-8]

Критическая Твердость HRC	Количество Мартенсита %	D, мм, после закалки
		В воде	В масле
32-36	50	33-82	12-52
38-43	90	23-48	6-24

Технологические свойства стали 18ХГТ следующие [3,5]:

- температура ковки, ^оС: начала 1200, конца 800. Сечения до 250 мм охлаждаются на воздухе, сечения 251-300 мм – в яме;

- сталь сваривается без ограничений(кроме деталей после химико-термической обработки);

- после нормализации получаются следующие свойства 156-159 НВ и σ_в = 530 МПа;

-сталь малосклонна к отпускной хрупкости и нефлокеночувствительна (не требует проведения противофлокельной обработки).

Цементация – наиболее распространенный метод химико-термической обработки стали. В результате такой обработки происходит поверхностное упрочнение деталей машин и механизмов: возрастает износостойкость, прочность, усталостная стойкость. Роль легирования стали для цементации состоит в получении высоких поверхностных свойств цементируемого слоя и обеспечения необходимых свойств сердцевины изделия при принятой обработки.

Основным критерием стали, используемой для цементуемых деталей, служат механические свойства сердцевины, которые зависят от размера сечения заготовки и прокаливаемости. Цементация повышает не только поверхностную твердость, но, как правило, и прочность деталей. Наибольший эффект упрочнения получен для сталей с относительно малым содержанием углерода и наименьший - для сталей, легированных вольфрамом или молибденом[7,8].

Из таблицы 1.8 видно, что прочность цементованной детали больше, чем больше прочность сердцевины. Например, прочность сердцевины детали диаметром 10 мм равна 2050 МПа, а прочность такой же цементованной детали 2750 МПа. Это свидетельствует о решающем влиянии свойств сердцевины и меньшем влиянии свойств цементованного слоя на прочность цементуемых деталей.

Таблица 1.8 – Механические свойства цементованных образцов при статическом изгибе

σи1, МПа, после ложной цементации				σи2, МПа, после цементации с карбюризатором
При сечении заготовок, мм
10	15	20	25	10	15	20	25
2050	1450	1200	1000	2750	2350	1900	1700

Легированная сталь повышенной прочности с 0.12 – 0.20 %С марки 18ХГТ предназначена для деталей сечением до 50 -75 мм, работающих при высоких удельных нагрузках, такой деталью может быт цилиндрическое зубчатое колесо коробки передач грузового автомобиля, эскиз которого приведен на рисунке 1.2.

Рисунок 1.2 – эскиз шестерни коробки передач грузового автомобиля

В процессе эксплуатации зубья шестерни подвергаются переменным нагружениям изгиба при вращении, а именно:

А) изгибу при максимальном однократном нагружении (при резком торможении, заклинивании, при приложении максимального крутящего момента);

Б) изгибу при многократных циклических нагрузках, вследствие чего в корне зуба развиваются наибольшие напряжения и может происходить усталостное разрушение. Напряжения изгиба могут быть весьма большими, так в некоторых шестернях коробки передач автомобилей они привышают 600МПа;

В) контактным напряжением на боковых рабочих поверхностях зубьев, приводящим к образованию контактно-усталочного выкашивания (питтинга);

Г) износу боковых поверхностей (из-за попадания абразивных частиц, грязи, пыли в зону контакту) либо торцевых поверхностей зубьев (при переключении передач в коробках передач) [2]

Принимая во внимание характер циклического нагружения шестерни коробки передач грузового автомобиля, следует отметить, что в этом случае цементация действительно увеличивает придел выносливости изделий, поскольку поверхностное упрочнение (цементация) приводит к его увеличению.

Выбранная шестерня коробки передач легкового автомобиля предназначена для эксплуатации при относительно высоких контактных напряжениях и с большими динамическими нагрузками.

Исходя из условий работы шестерни коробки передач автомобиля комплекс свойств, который обеспечит изделие необходимыми эксплуатационными характеристиками в готовом виде должны быть следующими: σ_т=900Н/мм², σ_в=1100Н/мм², δ≥10%, ψ≥50%, KCU=75-80 Дж/см^2. и твердость поверхности зубьев 58-60 HRC.

Сталь заданного состава можно выплавить кислородно-конверторным способом (емкостью 100т). Шихтовым материалом являются: жидкий передельный чугун с содержанием S≤0.07, стальной лом, известь, железная руда, боксит, плавиковый шпат для наведения и разжижения шлака. Плавка начинается с загрузки в конвертер лома и заливки жидкого чугуна. Вводят в полость конвертора фурму, включают подачу кислорода, загружают шлакообразующие. В течение всей продувки из металла удаляется фосфор и сера. По окончанию продувки (15-20 минут), отбирают пробы металла и шлака, и выпускают через специальное отверстие в ковши (емкость 175м³) и одновременно вводят в ковш раскислители и легирующие элементы в виде ферросплавов (FeMn, FeSi, FeAl, FeTi, FeCr) с учетом угара.

Разливка стали 18ХГТ на состав производится сифонным способом в уширенные к верху изложницы с прибыльными надставками под слоем теплоизолирующей смеси в слитки массой 5.6-5.7т.

Слитки в изложницы поступают в стрипперное отделение, где их подрывают и снимают утеплители, после чего они нагреваются в отделение нагревательных колодцев (ячеек), отапливаемых природным газом (вместимость каждой ячейки 14-18 слитков) до температур Т= 1100-1250 ⁰С. Нагретые слитки подаются слитковозом на двухклетьевой стан 900/950. На клети 950 обжимной, на которой раскатываются до размеров 250*250мм. После клети 950 раскат поступает на ножницы, где производится удаление донной и головной части раската и передается на заготовочную клеть 900, где заготовка прокатывается до сечения диаметром 110мм, l=2400мм. После клети 900 раскат шлепперами передается на линию резки.

На машиностроительном заводе производится нагрев заготовок до температур 1200 ⁰С и на ковочном прессе осуществляется нарезка до размеров диаметром 135мм, высотой 45 мм. Затем осуществляется механическая обработка – нарезка зубьев на специальном фрезерном станке (130×40мм). После чего производится окончательная термическая обработка и контроль качества изделий [6, 7, 9].

На рисунки 1.3 приведена схема основных этапов предела жидкой стали 18ХГТ в изделие.

Рисунок 1.3 – Схема основных этапов передела стали 18ХГТ в шестерню