17 Лабораторная работа № 17. Выбор стали и назначение режима термической обработки

Цель работы: приобретение навыков по обоснованному выбору материалов для деталей машин, станков и инструмента.

Конструкционные легированные стали

Варианты заданий

Вариант 1

Для некоторых деталей (щеки барабанов, шары дробильных мельниц и т.д.) выбрана сталь 11ОГ13. Укажите состав и определите группу стали по назначению. Назначьте режим термической обработки и обоснуйте его выбор. Опишите микроструктуру стали и причины ее высокой износоустойчивости.

Вариант 2

Кулачки должны иметь минимальную деформацию и высокую износоустойчивость при твердости поверхностного слоя 750…1000 НV. Для их изготовления выбрана сталь 35ХМЮА. Расшифруйте состав стали и определите группу стали по назначению. Назначьте и обоснуйте режим термической и химико-термической обработки, объяснив влияние легирования на превращения, происходящие на всех этапах обработки данной стали. Опишите микроструктуру и свойства кулачков после термической обработки.

Вариант 3

Для изготовления деталей, работающих в активных коррозионных средах, выбрана сталь 14Х17Н2: а) расшифруйте состав и определите группу стали по назначению, б) объясните назначение легирующих элементов, введенных в эту сталь, в) назначьте и обоснуйте режим термической обработки и опишите структуру и свойства стали после обработки.

Вариант 4

В котлостроении используется сталь 12Х1МФ. Укажите состав и группу стали по назначению. Назначьте режим термической обработки, приведите его обоснование и опишите структуру стали после термической обработки. Как влияет температура эксплуатации на механические свойства данной стали?

Вариант 5

В результате термической обработки пружины должны получить высокую упругость. Для их изготовления выбрана сталь 60СХФА. Укажите состав, назначьте и обоснуйте режим термической обработки, объяснив влияние легирования на превращения, происходящие при термической обработке данной стали. Опишите структуру и свойства пружин после термической обработки.

Вариант 6

В турбиностроении используют сталь 40Х12Н8Г8МФБ (ЭИ481). Укажите состав и определите группу стали по назначению. Назначьте режим термической обработки и обоснуйте его. Опишите структуру после термической обработки. Как влияет температура эксплуатации на механические свойства данной стали?

Вариант 7

В результате термической и химико-термической обработки шестерни должны получить износоустойчивый поверхностный слой при вязкой сердцевине. Для изготовления их выбрана сталь 18ХГТ. Укажите состав и определите группу стали по назначению. Назначьте и обоснуйте режим термической, химико-термической обработки, объяснив влияние легирования на превращения, происходящие на всех этапах термической обработки данной стали. Опишите микроструктуру и свойства поверхности и сердцевины шестерни после термической обработки.

Вариант 8

В результате термической обработки червяки должны получить твердый износоустойчивый поверхностный слой при вязкой сердцевине. Для их изготовления выбрана сталь 20ХГР. Укажите состав и группу стали по назначению. Назначьте и обоснуйте режим термической обработки, объяснив влияние легирования на превращения, происходящие при термической обработке данной стали. Опишите микроструктуру и свойства стали после термической обработки.

Вариант 9

Копиры должны иметь минимальную деформацию и высокую износоустойчивость при твердости поверхностного слоя 750…1000 HV. Для их изготовления выбрана сталь 38ХМФА. Укажите состав и определите группу сплава по назначению. Назначьте и обоснуйте режим термической и химико-термической обработки, объяснив влияние легирования на превращения, происходящие на всех этапах обработки данной стали. Опишите микроструктуру и свойства копиров после термической и химико-термической обработки.

Вариант 10

Для дисков и роторов турбин используется сталь 15Х12ВНМФ. Укажите состав и определите группу стали по назначению. Назначьте и обоснуйте режим термической обработки и опишите структуру. Охарактеризуйте механические свойства стали.

Вариант 11

Назначьте марку жаропрочной стали (сильхром) для клапанов автомобильных и тракторных двигателей небольшой мощности. Укажите состав стали, назначьте и обоснуйте режим термической обработки. Опишите структуру и свойства стали после термической обработки.

Вариант 12

В результате термической обработки пружины должны получить высокую упругость. Для их изготовления выбрана сталь 50ХГФА. Укажите состав, назначьте и обоснуйте режим термической обработки, объяснив влияние легирования на превращения, происходящие при термической обработке данной стали. Опишите структуру и свойства пружин после термической обработки.

Вариант 13

Для деталей, работающих в окислительной атмосфере, применяется сталь 12Х13. Укажите состав и определите класс стали по структуре. Объясните назначение хрома в данной стали и обоснуйте выбор марки стали для этих условий работы.

Вариант 14

В результате термической обработки тяги должны получить повышенную прочность по всему сечению (твердость 250…280 НВ). Для их изготовления выбрана сталь 30ХМ. Укажите состав и определите группу стали по назначению. Назначьте и обоснуйте режим термической обработки, объяснив влияние легирования на превращения, происходящие при термической обработке данной стали. Опишите структуру и свойства стали после термической обработки.

Вариант 15

Для деталей, работающих в контакте с крепкими кислотами, выбрана сталь 12Х17. Укажите состав и определите класс стали. Объясните причину введения хрома в эту сталь и обоснуйте выбор данной стали для указанных условий работы.

Вариант 16

В машиностроении используется сталь ШХ15. Укажите состав и определите группу стали по назначению. Назначьте режим термической обработки и приведите его обоснование. Опишите структуру и свойства стали после термической обработки.

Вариант 17

В результате термической обработки пружины должны получить высокую упругость. Для их изготовления выбрана сталь 70СЗА. Укажите состав и определите группу стали по назначению. Назначьте и обоснуйте режим термической обработки, объяснив влияние легирования на превращения, происходящие при термической обработке данной стали. Опишите структуру и свойства пружин после термической обработки.

Вариант 18

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.

Вариант 19

В результате термической обработки полуоси должны получить повышенную прочность по всему сечению (твердость 230…280 НВ). Для изготовления их выбрана сталь 40ЧРЗ. Укажите состав и определите группу стали по назначению. Назначьте режим термической обработки, приведите его обоснование, объяснив влияние легирования на превращения, происходящие при термической обработке стали. Опишите структуру и свойства стали после термической обработки.

Вариант 20

В результате термической обработки рычаги должны получить повышенную прочность по всему сечению (твердость 28…35 HRC). Для их изготовления выбрана сталь 35ХМА. Укажите состав и определите группу стали по назначению. Назначьте режим термической обработки, приведите его обоснование. Опишите микроструктуру и свойства стали после термической обработки.

Вариант 21

В результате термической обработки коленчатые валы судовых и автомобильных двигателей должны получить прочность по всему сечению (твердость 250…280 НВ). Для изготовления их выбрана сталь 40ХФА. Укажите состав и определите группу стали по назначению. Назначьте и обоснуйте режим термической обработки, объяснив влияние легирования на превращения при термической обработке данной стали. Опишите структуру и свойства стали после термической обработки.

Вариант 22

Копиры должны иметь минимальную деформацию и высокую износоустойчивость поверхностного слоя при твердости 750…1000 HV. Для их изготовления выбрана сталь 38ХВФЮА. Укажите состав и определите группу стали по назначению. Назначьте и обоснуйте режим термической и химико-термической обработки, объяснив влияние легирования на превращения, происходящие на всех этапах обработки данной стали. Опишите структуру и свойства стали после обработки.

Вариант 23

Гильзы цилиндров двигателей внутреннего сгорания должны иметь высокую твердость и износоустойчивость поверхностного слоя 750…1000 HV. Для изготовления их выбрана сталь 38Х2МЮА. Укажите состав и определите группу стали по назначению. Назначьте и обоснуйте режим термической и химико-термической обработки, объяснив влияние легирования на превращения в стали при ее термической обработке. Опишите структуру и свойства поверхностного слоя сердцевины гильзы.

Вариант 24

В результате термической обработки оправки должны получить повышенную прочность по всему сечению (твердость 250…280 НВ). Для изготовления их выбрана сталь 40ХН. Укажите состав и определите группу стали по назначению. Назначьте и обоснуйте режим термической обработки, объяснив влияние легирования на превращения, происходящие при термической обработке этой стали. Опишите структуру и свойства оправок после термической обработки.

Вариант 25

Для изготовления деталей подшипников качения выбрана сталь ШХ15СГ. Укажите состав стали, назначьте режим термической обработки и приведите свойства стали после термической обработки.

Пример выполнения задания

Задание

Копиры должны иметь минимальную деформацию и высокую износоустойчивость (твердость поверхностного слоя 750…1000 HV). Для их изготовления выбрана сталь 38ХМЮА. Необходимо: расшифровать состав и определить, к какой группе по назначению относится данная сталь; назначить и обосновать режим термической обработки, объяснив влияние легирования на превращения, происходящие на всех этапах обработки данной стали; описать микроструктуру и свойства стали после термической и химико-термической обработки.

Копиры широко применяются в станках-автоматах и работают в условиях контактного нагружения, по конструктивным особенностям (отношение l/d) относятся к дискообразным деталям.

Поскольку дискообразные детали технологически не жесткие, при назначении режимов термообработки следует предупреждать их коробление.

Для копиров, требующих высокую поверхностную твердость (750… 1000 HV), оптимальным вариантом упрочнения является улучшение с последующим азотированием. Азотирование как метод поверхностного упрочнения обеспечивает минимальную деформацию, высокую износостойкость, коррозийную стойкость в атмосфере. Обладая повышенной хрупкостью, азотированный слой должен опираться на упрочненную подложку. В данном процессе ее формируют закалка и высокий отпуск.

Для изготовления копиров выбран нитраллой (азотируемая сталь) 38ХМЮА – конструкционная улучшаемая сталь. Химический состав этой стали по ГОСТ 4543-71, в процентах: углерод – 0,35…0,42, хром (Х) – 1,35…1,65, молибден (М) – 0,15…0,25, алюминий (Ю) – 0,7…1,1, сера и фосфор – не более 0,025 (сталь высококачественная, что определяется и маркой стали – буква А ).

В состоянии поставки сталь 38ХМЮА имеет нормализованную структуру – мелкозернистый феррит – легированный перлит .

Нагрев под закалку стали 38ХМЮ следует проводить с учетом ее легированности. Для получения однородного гомогенного аустенита легированного нагрев проводят до 920…950 ^оС . Учитывая склонность стали к обезуглероживанию, продолжительность нагрева должна быть минимальной, но достаточной для образования однородного аустенита.

Хром, молибден и особенно алюминий сдерживают рост аустенитного зерна при нагреве. Поэтому формирование крупного зерна в стали 38ХМЮА не происходит.

Охлаждение назначают в зависимости от размеров копира: в воде – для деталей диаметром более 50…80 мм и в масле – для деталей диаметром до 50 мм. Структура стали после закалки: мартенсит закалки + аустенит остаточный.

Легирующие элементы хром и молибден, снижая критическую скорость закалки, увеличивают прокаливаемость стали. Критический диаметр у стали 38ХМЮА d_кр = 45 мм (при закалке в масле) и d_кр = 70 мм (при закалке в воде).

После закалки проводят высокий отпуск. Температура отпуска должна на 50…100 ^оС превышать температуру азотирования. Назначаем температуру отпуска 600…650 ^оС. В процессе выдержки при отпуске протекает распад М_зак и А_ост на зернистую среднедисперсную смесь феррита и цементита, называемую сорбитом отпуска. Молибден, имеющийся в стали, предупреждает развитие обратимой отпускной хрупкости, поэтому детали можно охлаждать медленно (допускается охлаждение и в масле).

После отпуска следует азотирование. Для обеспечения требуемой твердости 750…1000 HV, азотирование проводят при 520…540 ^о С в течение 20…30 ч, при этом образуется диффузионный слой толщиной 0,2…0,3 мм.

Наличие хрома и алюминия способствует формированию в слое специальных нитридов CrN и AlN, что приводит к повышению твердости слоя.

Строение азотированного слоя определяется характером взаимодействия азота с железом. В общем случае диффузионный слой имеет следующее строение. На поверхности образуется -фаза (твердый раствор на базе нитрида Fe₃N, содержащий приблизительно 9,5…11,0 % азота).

Испытывая распад, -фаза переходит в -фазу (твердый раствор на базе нитрида Fe N, содержащий приблизительно 5,3…5,7 % азота). По мере увеличения толщины слоя количество - фазы уменьшается. Феррит -фазы, входящий в состав сорбита отпуска, насыщается азотом до 0,004 %. Сердцевина изделия имеет структуру сорбита.

Механические свойства в готовом изделии: _В = 900 МПа, _и = 750 МПа,  = 10 %,  = 45%, а_Н = 80 Дж/см², твердость поверхности 750…1000 HV .