5 семестр / ДЗ / ИСл-1

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение

высшего образования «Московский государственный технический университет имени Н.Э. Баумана»

(национальный исследовательский университет)

(МГТУ им. Н.Э. Баумана)

Факультет Машиностроительные технологии

Кафедра Материаловедение

Домашнее задание №1

Студент
Группа

Преподаватель
			подпись

Москва 2021

Задание ИСл-1:

Для изготовления различного слесарно-монтажного инструмента (гаечные ключи, керны, отвертки, зубила и др.) применяют конструкционные цементуемые стали марок: 15, 20, 25, 15Х, 15ХР и др.

1. Гаечный ключ сечением 15 мм изготовлен из стали 15Х. Назначьте режимы газовой цементации и последующей упрочняющей термической обработки, обеспечивающие твердость поверхности 48 - 54 HRC при эффективной толщине слоя 0,6-0,8 мм. Постройте график термообработки, включающий цементацию и последующую термическую обработку в координатах температура-время. Укажите твердость сердцевины стали после выбранного режима термической обработки.

2. Опишите структурные превращения, происходящие в стали на всех стадиях термической обработки. Укажите структуру стали на поверхности и в сердцевине гаечного ключа после термической обработки.

3. Приведите основные сведения об этой стали: химический состав по ГОСТу, область применения, механические свойства сердцевины после выбранного режима термической обработки, технологические свойства, достоинства и недостатки и др.

Цементация и последующая термическая обработка одновременно повышают предел выносливости. Для цементации обычно используют низкоуглеродистые стали с содержанием углерода 0,1 – 0,3 %. Выбор таких сталей необходим для того, чтобы сердцевина изделия, не насыщающаяся углеродом при цементации, сохраняла высокую вязкость после закалки.

Цементация является промежуточной операцией, цель которой — обогащение поверхностного слоя углеродом. Требуемое упрочнение поверхностного слоя изделия достигается закалкой после цементации. Закалка должна не только упрочнить поверхностный слой, но и исправить структуру перегрева, возникающую из-за многочасовой выдержки стали при температуре цементации.

Феррит (α-железо) растворяет ничтожное количество углерода. Поэтому, если проводить цементацию при температурах, лежащих ниже температуры критической точки Aс1, то на поверхности изделия образуется лишь тонкая пленка цементита, и дальнейшее проникновение (диффузия; атомов углерода в глубь изделия будет затруднено. Чтобы железо поглощало углерод, нужно α-железо перевести в γ-железо, которое способно растворить до 2% углерода. Таким образом, для цементации необходимо нагреть сталь до образования структуры аустенита (рис.1). Практически цементацию производят при температурах 870 – 920 °С, т. е. Асз + (20±50 °С).

При повышении температуры цементации скорость процесса возрастает. Однако, слишком высокая температура цементации является нежелательной из-за роста зерен аустенита. Кроме того, при повышенной температуре цементации наблюдается более резкий переход от цементированного слоя к сердцевине.

Рис. 1: Область цементируемых сталей (0,1…0,3)% С;   - диапазон температур нагрева при цементации

При цементации деталь нагревают без доступа воздуха до 930 – 950 °С в науглероживающей среде – карбюризаторе. Альтернативным вариантом является проведение газовой цементации. Газовая цементация имеет ряд преимуществ по сравнению с цементацией в твердом карбюризаторе, поэтому ее широко применяют на заводах, изготовляющих деталь массовыми партиями. При указанной температуре (930 – 950 °С) сталь имеет однородную аустенитную структуру (γFe). Аустенит растворяет углерод в большом количестве (до 2%).

Время выдержки при температуре цементации зависит от температуры, требуемой толщины упрочненного слоя и способа проведения цементации. Для получения упрочненного (цементованного) слоя толщиной 0,8 мм выдержка должна составлять 7 часов.

Температура газовой цементации составляет 930 °С. Продолжительность процесса зависит, кроме глубины слоя, также от ряда других факторов: состава газа, величины садки в печи, толщины деталей и др. На скорость цементации оказывает влияние и химический состав цементуемых легированных сталей.

Глубина слоя и время цементации

Глубина слоя, мм	0,5…0,7	0,6…0,9	0,9…1,3	1,2…1,6
Время цементации, часов	6	7	9	12

После проведения цементации проводят металлографический анализ по определению толщины слоя. В результате цементации поверхностный слой деталей науглероживается (содержание углерода составляет 0,8 – 1% С), а в сердцевине остается 0,15% С. Для получения нужной структуры и свойств в поверхностном слое и в сердцевине необходима двойная термическая обработка.

В результате длительной выдержки при высокой температуре цементации происходит перегрев, сопровождающийся ростом зерна аустенита. После цементации проводят замедленное охлаждение. После охлаждения сталь имеет равновесную структуру: перлит + феррит (в сердцевине) и перлит + карбиды (в поверхностном слое)

Для получения высокой твердости цементованного слоя и достаточно высоких механических свойств сердцевины, а также для получения в поверхностном слое структуры мелкоигольчатого мартенсита, деталь после цементации подвергают последующей термической обработкезакалке. Основная цель закалки стали это получение высокой твердости, и прочности что является результатом образования в ней неравновесных структур – мартенсита, троостита или сорбита.

Заэвтектоидную сталь (в поверхностном цементованном слое шестерни содержание углерода ≈1%) нагревают выше температуры критической точки Ас₁ на 30 – 90 °С. Нагрев заэвтектоидной стали выше точки А_С1 производится для того, чтобы сохранить в структуре закаленной стали цементит, который является еще более твердой составляющей, чем мартенсит. Структура, состоящая из мартенсита и цементита, имеет большую износостойкость. Такой вид термической обработки называется неполной закалкой.

Хром повышает прокаливаемость стали (повышает устойчивость переохлажденного аустенита).

Последовательность операций термической обработки

Операция	t, °С	Охлаждающая среда	Твердость, HRC
Цементация	930	Охлаждение медленное в колодцах или ящиках
Закалка	730 – 760	Масло
Отпуск	180  200	Воздух	Сердцевина: 20 – 25 Поверхность: 56 -62

Рис. 2: График термической обработки 15Х

Рис. 3: Изменение концентрации углерода по глубине цементированного слоя (а) и схема микроструктуры незакаленного науглероженного слоя (б): 1 – заэвтектоидная; 2 – эвтектоидная; 3 – доэвтектоидная зоны

Рис. 4: Микроструктура цементованного слоя гаечного ключа из стали 15Х после термообработки: неполная закалка + низкий отпуск

Отпуск при 180 - 200°С проводится для снятия внутренних напряжений и получение более устойчивого структурного состояния, повышение вязкости и пластичности, а также понижение твердости и уменьшение хрупкости закаленной стали. Он выполняется с целью получения структуры мартенсита отпуска и для частичного снятия внутренних напряжений в закаленной стали с целью повышения вязкости без заметного снижения твердости. После такого режима термической обработки структура поверхностного слоя – мартенсит отпуска с вкраплениями избыточного цементита, а сердцевины – мелкозернистый феррит+перлит (сорбит).

Цементация деталей из легированной стали дает возможность получать в поверхностном слое структуру мартенсита отпуска, а в сердцевине – сорбит, троостит или мартенсит. Благодаря низкому содержанию углерода сердцевина будет иметь высокую ударную вязкость.

15Х−легированная цементируемая сталь. Цифра перед буквами в маркировке указывает на содержание углерода в сотых долях процента (сталь содержит 0,15% углерода). Буква «Х» указывает на легирование хромом. Отсутствие цифры после буквы указывает на то, что содержание легирующего элемента ≈1%.

Химический состав стали 15Х, % (ГОСТ 1050 – 88)

C	Mn	Si	Cu	S	P	Ni
			не более
0,120,18	0,40-0,7	0,17-0,37	0.30	0,03	0,035	0.30

Температура критических точек Стали 15Х, °С

Ас1	Ас3
766	838

Механические свойства 15Х (ГОСТ 4543-87)

Закалка, ºС	Отпуск, ºС	σТ	σB	δ	ψ	KCU	Твердость, HRC
		МПа		%	%	Дж/см2
770 (масло)	180	490	690	12	45	69	Поверхность: 62 Сердцевина: 25

Механические свойства стали 15Х в зависимости от температуры отпуска

Температура испытания, оС	σ0,2	σВ	δ	φ
	МПа		%
200	550	780	7	46
300	560	750	4	55
400	560	720	6	59
500	540	680	9	61
600	530	630	10	61

Технологические свойства

Температура ковки, ^оС: начало 1280, конец – 750. Заготовки охлаждаются на воздухе.

Свариваемость – сваривается без ограничений, кроме деталей после ХТО.

Способы сварки: ручная дуговая сварка, контактная сварка. Обрабатываемость резанием – в горячекатаном состоянии при НВ 126-131 и σ_В 450-490 МПа К_v = 1,7 (твердосплавный резец), К_v = 1,6 (быстрорежущая сталь).

Флокеночувствительность – не чувствительна.

Склонность к отпускной хрупкости – не склонна.

Достоинства стали – сравнительно низкая цена, доступность

Недостатки – относительно низкие механические свойства в сравнении с хромо-марганцевыми сталями.

Список литературы

1. Материаловедение / Под. общ. ред. Б.Н. Арзамасова, Г.Г. Мухина. – М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2003.

2. Гуляев А.П. Металловедение. – М.: Металлургия, 1986.

3. Лахтин Ю.М., Леонтьева В.П. Материаловедение. – М.: Машиностроение, 1990.