1 Фазовые и структурные превращения при термической обработке стали 40хн

Общая характеристика стали 40хн

Сталь 40ХН является конструкционной, качественной, среднеуглеродистой, улучшаемой, легированной хромом и никелем.

Сталь 40ХН применяется для производства деталей, эксплуатируемых в условиях повышенной вибрации и динамической нагрузки. К этим деталям относятся шатуны, оси, замки (муфты и ниппели) для нефтепроводов, валы. Из стали 40ХН также выпускают шпиндели, зубчатые колеса, штоки гидроцилиндров, болты, валки прокатных станов, применяется для деталей, которым требуется повышенная прочность и вязкость. Выпускается в соответствии с нормативами ГОСТ 4543-71[3].

Химический состав стали 40ХН приведен в таблице 1.1.

Таблица 1.1 – Химический состав стали 40ХН, % масс [4]

C	Si	Mn	Ni	Cr	P	S	Cu
					не более
0,36-0,44	0,17-0,37	0,50-0,80	1,00-1,40	0,45-0,75	до 0,035	0,035	до 0,30

Критические точки стали 40ХН приведены в таблице 1.2.

Таблица 1.2 – Температуры критических точек стали 40ХН, °С [4]

Ас	Ас	Аr	Ar	Mн	Мк
735	768	700	660	305	220

Механические свойства стали после термической обработки- закалки и отпуска для прутка и поковки различного сечения приведены в таблице 1.3 и 1.4

Таблица 1.3 – Механические свойства прутка(d_сеч=25мм) из стали 40ХН в зависимости от режима упрочняющей термической обработки[4]:

Режим термообработки			σ_в, Н/мм²	σ_0,2, Н/мм²	δ, %	ψ, %	KCU, Дж/см²
Операция	t, ^oC	Среда охлаждения	не менее
Закалка	820	вода или масло	980	785	11	45	69
Отпуск	500	Вода или масло

Таблица 1.4 – Механические свойства поковки(d_сеч=300-500мм) мз стали 40ХН в зависимости от режима упрочняющей термической обработки[4]:

Режим термообработки			σ_в, Н/мм²	σ_0,2, Н/мм²	δ, %	ψ, %	KCU, Дж/см²
Операция	t, ^oC	Среда охлаждения	не менее
Закалка	820	вода или масло	590	345	14	38	49
Отпуск	500	вода или масло	590	345	14	38	49
Нормализация	820	Вода или масло	570	315	14	35	34

Технологические свойства стали 40ХН приведены в таблице 1.5:

Таблица 1.5 – Технологические свойства стали 40ХН[4].

Температура ковки, ^оС	Начало 1250, конца 850. Сечения до 50 мм охлаждаются на воздухе, 51-200 мм - в мульде, 201-300 мм – с печью.
Свариваемость	Трудносвариваемая. Способи сваривания: РДС, АДС под флюсом, ЭШС. Необходимы подогрев и последующая термообработка.
Обрабатываемость резанием	В горячекатаному состоянии при НВ 166-170 и σ_в = 690 МПа, K_тв.спл. = 1.0, K_б.ст. = 0.9.
Склонность к отпускной хрупкости	Склонна
Флокенночувствительность	Повышенно чувствительна

Прокаливаемость стали 40ХН приведена в таблице 1.6 и на рисунке 1.1:

Таблица 1.6 – Прокаливаемость стали 40ХН[4]:

D_крит, в воде мм	D_крит. в масле, мм	Крит. твердость, HRC	Количество мартенсита
60-112	34-76	44-47	50
40-86	18-56	50-53	90

Рисунок 1.1 – Полоса прокаливаемости для стали 40ХН

Все вопросы, предусмотренные данной курсовой, рассматриваем на примере изделия из стали 40ХН – полумуфта. Эскиз и его основные размеры показаны на рисунке 1.2.

Рисунок 1.2 – Эскиз полумуфты

Полумуфты работают в тяжелых условиях, поэтому к материалу заготовок предъявляют высокие требования в отношении однородности физико-механических свойств, макро- и микроструктуры, остаточных напряжений и т.д.

Основные требования предъявляемые к этому изделию, ввиду того, что данная полумуфта работает при больших скоростях в отсутствии динамических нагрузок – HRC=240-270HB, σ_в=880-950 Н/мм², σ_т=680-720 Н/мм², δ=12-16%, ψ=35-40% KCU=50-60 Дж/см². Конечная структура –сорбит отпуска(рисунок 1.3):

Сотп

Рисунок 1.3 – Конечная структура полумуфты из стали 40ХН

Сталь 40ХН выплавляется кислородно-конверторным способом на 100 т. При выплавке в кислородном конвертере шихтовыми материалами являются жидкий передельный чугун с содержанием серы 0,02 – 0,06%, стальной лом до 3%, известь, железная руда, боксит, плавиковый шпат для наведения и разжижения шлака. Оптимальное содержание кремния в чугуне должно быть примерно 0,3-0,5%, т.к. значительное повышение кремния в чугуне вызывает увеличение расхода охладителей и флюсующих, повышается количество шлака и содержания SiO₂, что увеличивает потерю железа со шлаком и выбросами. При продувке чугуна с высоким содержанием кремния ухудшаются условия для удаления серы и фосфора[5].

Кислород для продувки подаётся под давлением, примерно 0,9 – 1,4 МПа. Раскисление стали производится в ковше ферромарганцем, ферроникелем и алюминием. Феррохром вводится в ковш перед выпуском стали.

Благодаря использованию чистого кислорода для продувки металла, кислородно-конвертерная сталь содержит мало азота, а следовательно её качество заметно повышается. Поступление водорода в конвертерную ванну заметно меньше, чем в условиях мартеновской и электросталеплавильной ванны.

Разливка стали 40ХН на состав производится сифонным способом в уширенные к верху изложницы с прибыльными надставками под слоем теплоизолирующей смеси для защиты стали, в слитки массой 7.6-7.8т[5].

Слитки в изложницы поступают в стрипперное отделение, где их подрывают и снимают утеплители, после чего они нагреваются в отделение нагревательных колодцев, отапливаемых природным газом до температур Т= 1100-1250 ⁰С. Нагретые слитки подаются слитковозом на двухклетьевой стан 900/950. На клети 950 обжимной, на которой раскатываются до размеров 400*400мм. 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 300мм, l=3000мм. После клети 900 раскат шлепперами передается на линию резки, где происходит отрезка заготовок под поковку на полумуфты диаметром 300мм и высотой 200 мм[5].

Далее производится нагрев заготовок до температур 1200 ⁰С и на ковочном прессе осуществляется нарезка до размеров диаметром 300мм, высотой 200 мм. После чего производится окончательная термическая обработка, шлифовка и контроль качества изделий.

Основные этапы передела жидкого металла показаны на схеме рисунка 1.4.