1.5.4 Поверхностное упрочнение пластическим деформированием.

Оно основано на способности стали к наклепу при пластической деформации. Наиболее распространенными способами такого упрочнения поверхности является дробеструйная обра-ботка и обработки поверхности роликами или шариками.

При дробеструйной обработке на поверхность детали из специальных дробеметов направ-ляется поток стальной или чугунной дроби малого диаметра (0,5…1,5 мм). Удары концентри-руются на весьма малых поверхностях , поэтому возникают очень большие местные давления. В результате повышается твердость и износостойкость обработанной поверхности. Кроме того, сглаживаются мелкие поверхностные дефекты. Глубина упрочненного слоя при дробеструйной обработке составляет около 0,7 мм.

Обработка роликами производится с помощью специальных приспособлений на токарных станках. Помимо упрочнения, обкатка снижает шероховатость обрабатываемой поверхности. Глубина упрочненного слоя доходить до 15 мм.

1.6 Методика и порядок выполнения работы 1.6.1Получить у преподавателя вариант индивидуального задания с исходными данными

для выполнения работы.

В приложении приведены варианты индивидуальных заданий, где указаны исходные данные для выполнения работы:

название детали ____________, размеры детали ____________ ,

марка сплава ______________,

технические условия, предъявляемые к детали после термической обработки_____. 1.6.2Дать характеристику сплава и обосновать его выбор для изготовления заданной дета-

ли.

Используя справочную литературу привести химический состав металла в состоянии по-ставки и изложить влияние различных примесей (марганец, кремний, сера, хром и др.) на ме-

11

ханические, физические, химические, а также технологические и эксплуатационные его свой-ства материала.

Кроме того привести структуру стали (используя справочную литературу) и по ней рас-считать содержание углерода. Для этого нужно ориентировочно определить площади (в про-центах), занимаемую различными структурами.

В микроструктуре доэвтектоидной стали содержится феррит (Ф) и перлит (П). Приняв во внимание, что содержание углерода в феррите (Ф) ничтожно мало, можно допустить, что имеющийся в стали углерод сосредотачивается в зернах перлита (П). Это позволяет составить пропорцию:

100% П – 0,8%С

F_п – Х,

_{Х =} п ^0,8 _%, 100

где F_п – площадь, занятая перлитом, %,

X – содержание углерода, %.

В структуре заэвтектоидной стали содержится перлит (П) и цементит (Ц). Количество цементита возрастает с увеличением содержания углерода. Зная площади, занимаемые различ-ными структурными составляющими, можно определить содержание углерода в заэвтектоид-ной стали. Например, если 95% площади шлифа занимает перлит, а вторичный цементит - 5%, то содержание углерода в стали – X, %:

а) на участках перлита содержится углерода Х₁, %:

^Х1

=

95 х 0,814

= 0,77%С;

100

б) в цементитной сетке – Х₂:

100%Ц – 6,67%С

5%Ц – Х_2,

Х₁ = ⁵ ₁₀₀^.6,67 = 0,3,4%С;

в) общее содержание углерода в стали:

Х = Х ₁ + Х ₂ = 1,11%С.

1.6.3Обосновать выбор видов термической обработки для заданной детали и составить маршрутную карту технологического процесса.

12

На основании изучения справочной литературы обосновать и назначить необходимые ви-ды термических обработок для заданной детали с учетом материала и условий ее эксплуатации и составить маршрутную карту технологического процесса.

1.6.4Определить параметры режима технологического процесса предварительной терми-ческой обработки.

Предварительная термическая обработка включает различные виды отжига и их разновид-ность - нормализацию. Используя справочную литературу обосновать вид предварительной термической обработки и назначить параметры режима нормализации: температуру нагрева, время выдержки и среду охлаждения.

Используя справочную литературу привести микроструктуру и твердость стали после нормализации. Сделать выводы

1.6.5Определить параметры режима технологического процесса закалки заданной детали. Основными параметрами режима процесса закалки стали является температура нагрева,

продолжительность выдержки при данной температуре и скорость охлаждения.

Температура нагрева стали при закалке выбирается по диаграмме Fe-Fe₃С(рисунок 1.3) в зависимости от содержания углерода и температуры критических точек: Ас₃ (лежат на лини GS), А_С1, (образуют линию PSK), А_сm(показывают начало выделения цементита, лежат на ли-

нии SE).

Доэвтектоидную сталь необходимо греть по режиму полной закалки, до аустенитного со-стояния:

Т_до³ = А_С3+(30…50⁰С).

(1)

При нагреве до такой температуры имеющийся в стали углерод полностью растворится в кристаллической решетке Fe_γ. После выдержки, обеспечивающей превращение по всей тол-щине, деталь охлаждают со скоростью выше критической так, чтобы кристаллическая решетка перестроиласьFe_γ.→Fe_a, а углерод не успел выйти из неё. Полученный пересыщенный раствор углерода в железе Fe_аполучил называниемартенсит (М). В результате значительного перенасы-щения решетки углеродом (при медленном охлаждении в а - железе растворяется до 0,02%С) твердость её намного увеличивается, следовательно, повышается, твёрдость стали. Например, твердость стали 45 до закалки HRC20, а после закалки – HRC 54-55.

Одним из видов брака при закалке доэвтектоидной стали является пятнистая, недостаточ-но высокая твёрдость. Это связано с недогревом детали. Так, если доэвтектоидную сталь нагреть по режиму неполной закалки, т.е. выше точки Ас₁, то в структуре этой стали будут А + Ф, которые при быстром охлаждении превращаются в М + Ф. Присутствие зерен мягкого фер-рита приведет к снижению твердости, структура будет неоднородной.

Для заэвтектоидных сталей (С>0,8%) лучше результаты поручают при нагреве по режиму неполной закалки, то есть:

Т_до³ = А_С1+(20…50⁰С).

Нагретая до такой температуры сталь, претерпевает в результате закалки структурные из-менения: А + Ц→ М + Ц. Химическое соединение цементит имеет высокую твердость, который повышает твердость стали. Греть заэвтектоидные стали по режиму полной закалки до аусте-нитного состояния нецелесообразно, потому что в структуре будет только мартенсит (цемен-

13

тит теряем). Кроме того расходуется больше энергии. Нагрев выше точкиА_см вызывает рост зерна аустенита и, как результат, повышается хрупкость стали, структурные и термические напряжения, вероятность появления макро и микротрещин.

Структурные изменения в доэвтектоидной и заэвтектоидной стали показаны на рисунок 1.4.

Ас 3

,

7

8

-

0

А

Быстрое охлаждение

А

Нагрев

Ц

А с1

Быстрое охлаждение

Ф

Ц

М+Аост.

П+АЦ

Ц

М

А

ост.

а

в

Рисунок 1.4 – Схема структурных превращений при закалке:

а –доэвтектоидная сталь; б – заэвтектоидная сталь

Продолжительность нагрева зависит от типа

нагревательного устройства,теплопровод-

ности металла, формы и размеров сечения, а также от порядка укладки их в печи.

Время нагрева и выдержки для детали из углеродистой стали можно определить по гра-фику рисунок 1.5. Для заданной температуры и формы детали определяется коэффициент нагрева τ мин/мм. Затем этот коэффициент умножается на толщину детали и в результате по-

лучается время выдержки детали в печи.

Так, например, для температуры нагрева (850⁰С)

и формы детали - квадрат толщиной 10

мм, находим коэффициент продолжительности нагрева τ =1,2

мин/мм. Затем толщину детали

умножаем на коэффициентτ и получаем продолжительность нагрева детали в минутах (1

мин/мм х 10 мм = 12 мин).

,

мин/ мм

10

9

8

3

7

2

6

5

1

4

3

2

1

0

200 300

400 500

600 700

800 900

1000 Т , С

Рисунок 1.5 – Нормы времени нагрева и выдержки углеродистой стали (мин/1мм толщины) для образцов формы: 1 -цилиндрической, 2 - квадратной, 3 - плоской

14

Для определения общей продолжительности нагрева можно пользоваться справочными данными (таблицы1.1).

Таблица 1.1–Ориентировочные нормы продолжительности нагрева стали при термиче-ской обработке в лабораторных электрических печах

Форма изделия

Температура нагрева, ⁰С

круг

квадрат

пластина

продолжительность нагрева, мин

на 1 мм диаметра

на 1 мм толщины

600

2

3

4,0

700

1,5

2,2

3,0

800

1,0

1,5

2,0

900

0,8

1,2

1,6

1000

0,4

0,6

0,8

Скорость охлаждения оказывает большое влияние на превращения в стали и получаемую структуру и свойства. Влияние скорости охлаждения на процесс перестройки структуры мож-но проследить по диаграмме изотермического распада аустенита (рисунок 1.6).

Рисунок 1.6 – Диаграмма изотермического распада аустенита:

I - линия начала распада аустенита, 2 - линия конца распада аустенита; М _н - начало образования мартенсита, М _к - конец образования мартенсита,

v_KP- вектор критической скорости охлаждения.

Если охлаждать углеродистую сталь в интервале температур 650…400°С со скоростью менее 100°С/с, то углерод будет выходить из кристаллической решетки в виде пластин цемен-тита, которые чередуются с пластинками феррита (малоуглеродистый раствор углерода в Fe_a). Полученная структура называется сорбит закалки - это смесь Ф + Ц(HRC30). При увеличении скорости охлаждения до 200°С/с пластины феррита и цементита не успевает вырасти, получен-ная смесь называется троостит закалки, её твёрдость HRC45.Увеличение скорости до значений более 250°С/с дает бездиффузионный процесс перестройки аустенита в мартенсит. Наимень-

15

шая скорость охлаждения при закалке, при которой в структуре стали образуется мартенсит, называется критической скоростью охлаждения ν_кр.

Таким образом для получения структур таких как сорбит закалки с твердостью НRС30 скорость охлаждения составляет 250⁰С/с; для троостита закалки с твердостью НRС45 - скорость охлаждения - 200⁰С; для мартенсита с твердость НRС65 скорость охлаждения - 250⁰ С/с.

Определив, критическую скорость, v_KP, подбирают закалочную среду. Правильный ее вы-бор имеет большое значения для успешного проведения термической обработки. Наиболее распространенные закалочные среды: вода, 5…10% водный раствор едкого натрия или пова-ренной соли и минеральные масло. Для закалки углеродистых сталей можно рекомендовать воду с температурой 18⁰С, а для закалки большинства легированных сталей – масло.

При закалке в масле скорость охлаждения получается значительно меньшая, чем в воде. В первый период, при температуре 650…550°С, масло охлаждает со скоростью примерно в 6 раз меньшей, чем циркулирующая вода. Этого уже недостаточно для закалки углеродистых сталей, но вполне подходит для легированных сталей. Зато во второй период, при температуре 200°С, скорость охлаждения в масле в 28 раз ниже, чем в воде. Это значительно уменьшает закалочные напряжения и опасность образования трещин. Такое преимущество масла позволяет закаливать в нем крупные детали сложной формы, не опасаясь возникновения трещин.

Закаливающая способность масел мало зависит от температуры. Так, при нагреве до 120…150°С скорость охлаждения в масле изменяется всего на 50°С/с. Практически это не влия-ет на результаты закалки. Не следует, однако, с учетом противопожарной безопасности допус-кать, чтобы температура закалочного масла была более 80…90°С. Перегретое масло слегка ды-мит. Это опасный признак. В случае вспышки масла бак следует немедленно закрыть крышкой или листами железа.

Закаливающая способность различных масел при одной и той же температуре зависит от их вязкости. В процессе работы вязкость масла постепенно повышается, и, следовательно, закали-вающая способность его падает. Это происходит в основном по двум причинам: во-первых, вследствие насыщения масла продуктами его термического разложения и, во-вторых, благодаря попаданию в масло механических примесей (окалины и пр.).

Масло становится непригодным для закалки и подлежит замене, если одна или несколько его характеристик, устанавливаемых при контроле, превосходят следующие предельные нормы: повышение вязкости более чем на 40% по сравнению с исходной; содержание смол более 10%; содержание механических примесей более 0,15%.

Промышленностью освоен выпуск специальных закалочных масел серии МЗМ. Они содер-жат присадки, повышающие стойкость против окисления, улучшающие моющие свойства и снижающие пенообразование. В зависимости от марки такие масла можно использовать при температурах от 70 до 175°С.

Хорошие результаты получаются при использовании для закалки водо-воздушной смеси. С этой целью применяют форсунки, в которых вода распыляется с помощью сжатого воздуха. Ре-гулируя соотношение воды и воздуха, а также давление смеси, можно изменять скорость охла-ждения. Это особенно важно при закалке крупных деталей, когда охлаждение в воде может вы-звать трещины, а охлаждение в масле не обеспечивает получения необходимой твердости. Охлаждающая способность различных закалочных средств представлена в таблице 1.2.

16

Таблица 1.2 – Охлаждающая способность закалочных сред

Охлаждающая среда

Скорость охлаждения в интервале температур ν_КР,°С/с

650-550°С

300-200°С

Вода 18°С

600

270

28°С

500

270

50°С

100

270

10%NaClвводе

1200

300

Минеральное масло

150

30

Спокойный воздух

18

5

Мыльная вода

30

200

Назначить параметры режима закалки.

Используя справочную литературу привести

микроструктуру и твердость стали после за-

калки. Сделать выводы.

1.6.6 Определить параметры режима технологического процесса отпуска стали. Основными параметрами отпуска стали является температура нагрева и время выдержки. Температуру нагрева варьирует в широких пределах от 150⁰ до 700⁰С. В зависимости от

цели различают низкий, средний и высокий отпуск.

Температура нагрева стали с различным содержанием углерода для требуемой твердо-стиопределяется по графику рисунок 1.7.

R_C

60

1,2% С

0,8% С

50

40

0,6% С

30

0,35% С

20

0,2% С

10

0

200

300

600 ⁰С

100

400

500

Температура отпуска

Рисунок 1.7 – График зависимости твердости от температуры отпуска (по Г.В.Курдюмову)

17

Продолжительность нагрева, то есть время выдержки в печи определяется по графику (рисунок 1.5) или по справочной литературе.

Назначить режимы отпуска.

Используя справочную литературу привести микроструктуру и твердость стали после отпуска.

Сделать выводы.

1.6.7 Определить параметры режима технологического процесса химико-термической

обработки.

Параметры режима технологического процесса цементации и других видов химико-термической обработки с последующей термической обработкой определяются по справочной литературе.

Назначить режимы химико-термической обработки.

Используя справочную литературу привести микроструктуру и твердость стали после химико-термической обработки и сделать выводы.

1.6.8Выбрать нагревательное устройство.

Нагревательное устройство выбирается с учетом размеров детали и максимальной темпе-ратуры нагрева по справочной литературе. Предпочтительно для нагрева детали выбирать печи

нейтральной или защитной атмосферой.

Разработать карту технологического процесса термической обработки.

Полученные данные по термической обработке заданной детали занести в технологиче-скую карту (таблица1.3).

1.6.10Выводы:

Указать, как повлияла выбранная термообработка на свойства стали. Проанализировать возможность применения других процессов термообработки для заданной детали.

18

Таблица 1.3 – Карта технологического процесса термической обработки детали (учебная)

Эскиз детали

Кафедра

Наименование

де-

Наименование и мар-

Масса,

Ремонта машин и

тали

ка металла

кг

материаловедения

Технические требования

№

Наименование и содержание операции

Обору-

Приспособ-

Твердость,

Глубина

Режим

Коли-

дование

ление,

HRC, НВ

слоя, мм

термообработки

чество

п/п

инструмент

деталей

Т,°С

τ, мин

ν, °С/с

в печи

19

2 Пример выполнения расчетно-графической работы «Разработка техноло-