Кафедра технологии металлов
Утверждаю
Первый проректор Патрушев А.А.
МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ
к выполнению домашнего задания по разделу
МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ
Для студентов 1 и 2 курсов факультетов МСХ и ТС АПК
Челябинск 2007
Материаловедение
Режим термической обработки.
ЦЕЛЬ РАБОТЫ: Научиться правильно разрабатывать технологию и режим термообработки деталей машин (температуру нагрева, продолжительность выдержки в печи, скорость охлаждения). Определять режим отпуска согласно требуемых свойств (в данной работе «контролирующим» свойством будет твёрдость), знать цель и особенность каждого из выбранных видов термообработки.
Письменное оформление домашнего задания выполняется на формате А4 на одной стороне и начинается титульным листом, а заканчивается технологической картой (см. приложение).
Защита домашнего задания принимается преподавателем кафедры «Технология металлов» выдавшим задание или назначенным заведующим кафедрой.
Общие положения и рекомендации по выбору режима термической обработки
Термической обработкой называют совокупность операций нагрева, выдержки и охлаждения металлических сплавов, находящихся в твёрдом состоянии, для изменения их структуры и получения нужных физико-механических свойств.
Термической обработке подвергают детали и инструменты для повышения твёрдости, прочности и износостойкости, а также заготовки (поковки, отливки и др.) для подготовки к механической обработке.
Как правило, общая схема термической обработки детали представляется в такой последовательности: ОТЖИГ-ЗАКАЛКА-ОТПУСК.
ОТЖИГ. Применяется для получения равновесной структуры с целью снятия внутренних напряжений, снижения твёрдости, повышения пластичности и вязкости стали, улучшения её обрабатываемости резанием, измельчения зерен для подготовки к последующей закалке.
Рассмотрим наиболее применяемые для этих целей полный, неполный и изотермический отжиг.
ПОЛНЫЙ ОТЖИГ. Основан на фазовой перекристаллизации, приводящей к измельчению зерна и стали. При полном отжиге устраняется волокнистая структура, образующаяся в процессе прокатки или ковки, происходит снятие внутренних напряжений, что приводит к повышению пластичности изделия и облегчает получение изделий холодной штамповкой, резанием. Такой отжиг применяется для доэвтектоидных сталей (т.е. сталей, содержащих менее 0,8% углерода). Полный отжиг заключается в нагреве доэвтектоидной стали на 30…50ºС выше температуры, соответствующей точке АС3 выдержке при этой температуре для полного прогрева и завершения фазовых превращений в объеме металла и последующего медленного охлаждения со скоростью 150…200ºС/ч – для углеродистых и 30…100ºС/ч – для легированных сталей (или охлаждение вместе с печью).
При нагреве из исходной структуры феррит + перлит образуется аустенит, характеризующийся мелким зерном и, поэтому, при охлаждении, зерна образующейся феррито-перлитной структуры получаются также мелкими. Продолжительность отжига зависит от размера детали и может быть в пределах 2…20 часов (для небольших деталей обычно 1…4 часа). Для расчетов можно ориентировочно принять отж 3 времени закалки.
НЕПОЛНЫЙ ОТЖИГ. Широко применяют для заэвтектоидных сталей (т.е. сталей, содержащих более 0,8% углерода). Эти стали нагревают до температуры выше точки АС1 на 30…50ºС, что вызывает практически полную перекристаллизацию и позволяет получить зернистую (сфероидальную) форму перлита вместо пластинчатой. Такой отжиг называется сфероидизацией или отжигом на зернистый перлит. После неполного отжига эвтектоидные и заэвтектоидные стали обладают наилучшей обрабатываемостью резанием, т.е. возможно применение больших скоростей резания и достигается высокая чистота поверхности. Отжигу на зернистый перлит подвергаются также тонкие листы и прутки из низко-и среднеуглеродистой стали перед холодной штамповкой или волочением для повышения пластичности.
ИЗОТЕРМИЧЕСКИЙ ОТЖИГ. В ОСНОВНОМ ПРИМЕНЯЮТ ДЛЯ ЛЕГИРОВАННЫХ ЦЕМЕНТУЕМЫХ СТАЛЕЙ (ЗАГОТОВОК, НЕБОЛЬШИХ РАЗМЕРОВ). Он состоит из нагрева легированной стали, как и для полного отжига (т.е. АС3+30…50ºС), в сравнительно быстром охлаждении до температуры ниже точки А1 (обычно 660…630ºС). При этой температуре назначают изотермическую выдержку 3…6 ч, после чего следует охлаждение на воздухе. Преимущество такого отжига – сокращение длительности процесса, особенно для легированных сталей, которые для заданного снижения твёрдости приходится охлаждать очень медленно; второе преимущество – получение более однородной феррито-перлитной структуры. Нагрев осуществляют в печах с контролируемой атмосферой.
ЗАКАЛКА И ОТПУСК СТАЛИ. Окончательная термообработка деталей состоит из закалки и отпуска. В результате закалки получается мартенсит, а отпуском достигают необходимую структуру, твёрдость и другие свойства.
ЗАКАЛКА. Качество закаленных изделий зависит от температуры нагрева, времени выдержки изделий в печи и скорости охлаждения. Правильный выбор этих параметров обеспечивает получение изделий без закалочных дефектов.
1. Температура нагрева зависит от содержания углерода в стали. Изделия изготовленные из доэвтектоидных сталей, нагревают на 30…50ºС выше температуры АС3 для перевода феррито-перлитной структуры в аустенитную (tзак.= AС3 + 30…50ºС), а из эвтектоидных сталей на 30…50ºС выше АС1 (т.е. tзак. = АС1 + 30…50ºС) (рис.1)
Рисунок 1 - Оптимальный интервал закалочных температур углеродистых сталей
2. Общая продолжительность выдержки в печи ((зак.) определяется суммарным временем: временем нагрева ((Н) и временем выдержки ((В):
(зак. = (Н + (В
Ориентировочно для изделий из углеродистых сталей время нагрева определяют из расчёта 1 мин на 1мм сечения (например, для прутка диаметром 20мм tН=20мин.); для легированных сталей – 2 мин на 1 мм сечения. При нагреве в соляных ваннах время нагрева уменьшается в 2 раза.
Время выдержки ((В) принимают равным 1/4 от времени нагрева – для углеродистых и 1/3 для легированных сталей (т.е. для нашего примера (зак. = 20 + (20 × 1/4) = 25мин.)
3. Скорость охлаждения при закалке.
Наиболее ответственной операцией при закалке является охлаждение, которое должно осуществляться со скоростью больше критической (Vкр) для получения структуры мартенсита в пределах заданного сечения изделия и не должно вызывать закалочных дефектов: трещин, деформаций, коробления и высоких растягивающих остаточных напряжений в поверхностных слоях.
Для каждой стали своя величина критической скорости, и зависит она от химического состава. Чем больше в стали углерода и легирующих элементов, тем меньше значение Vкр и больше прокаливаемость стали. Так углеродистые стали закаливаются на мартенсит только в резких средах (вода, раствор щелочи), а легированные в масле. Требуемая скорость охлаждения обеспечивается подбором охлаждающей среды. Следует стремиться охлаждать сталь с меньшей скоростью, но больше критической. Чтобы получить мартенсит с меньшими напряжениями и деформациями, а также избежать трещин. Твёрдость стали после закалки в основном зависит от содержания углерода. Чем больше углерода в стали, тем выше твёрдость мартенсита (рис. 2).
Для снижения напряжений при закалке и уменьшения деформаций и коробления применяют различные способы охлаждения (закалки) (рис. 3).
Рисунок 2 - Зависимость твердости мартенсита от содержания углерода в стали
Рисунок 3 - Способы закалки стали:
V1 – в одном охладителе; V2 – в двух средах; V3 – ступенчатая; V4 – изотермическая
При непрерывной закалке (V1) в воде или щелочи напряжения максимальные. Закалку в одном охладителе применяют для деталей простых форм.
В результате прерывистой закалки(V2) через воду в масло, внутренние напряжения уменьшаются. Такой способ закалки часто применяют для инструмента из углеродистой стали.
Ступенчатая закалка (V3), в результате выдержки при температуре выше МН, приводит к снижению напряжений, коробления и деформаций и уменьшению опасности образования трещин. При выполнении закалки по этому способу сталь после нагрева до температуры закалки охлаждают в среде, имеющей температуру несколько выше точки МН (обычно 180…250ºС), и выдерживают в ней сравнительно короткое время. Затем изделие охлаждают до комнатной температуры на воздухе. Этот способ применяют для закалки деталей из легированных сталей, а также деталей небольших сечений (до 10 мм) из углеродистых сталей. Недостаток этого метода в том, что горячие, медленно охлаждающиеся среды не позволяют получить необходимые скорости охлаждения для крупных деталей.
При изотермической закалке (V4) более длительная выдержка, чем при V3, приводит к образованию бейнита и повышению конструктивной прочности деталей. Закалку по этому способу выполняют в основном так же, как и ступенчатую, но в данном случае, предусматривается более длительная выдержка выше точки МН. Изотермическую закалку целесообразно применять для деталей, склонных к короблению и образованию трещин. В качестве охлаждающей среды при ступенчатой и изотермической закалке чаще применяют расплавленные соли в интервале температур 150…500ºС, например 55% KNO3 и 45% NaNO2 (или NaNO3), а также расплавленные щелочи (20% NaOH и 80% КОН). Охлаждение в расплавах едких щелочей, если предварительно детали нагревались в жидких солях (т.е. солях, не вызывающих окисления), позволяет получить чистую поверхность светло-серого цвета. Закалку по этому способу называют светлой.
ОТПУСК. Отпуск является заключительной операцией термической обработки, её правильности проведения которой зависит качество детали. Рекомендуется осуществлять его сразу после закалки. Выбор температуры отпуска определяется окончательной твёрдостью детали (рис.4). С повышением температуры отпуска твёрдость и прочность понижаются, а пластичность и вязкость увеличиваются. В зависимости от технических требований, предъявляемых к детали, применяются следующие виды отпуска.
ºС
Рисунок 4 - Зависимость твёрдости от температуры отпуска для углеродистых сталей с различным содержанием углерода
Низкий отпуск (150…200ºС) снижает внутренние напряжения. Применяется для изделий, где требуется высокая твёрдость 56…64 HRC и износостойкость. Продолжительность отпуска зависит от размеров детали (0,5…4 ч). Охлаждение после отпуска на воздухе . Применяется для инструмента, цементуемых деталей, работающих на износ (поверхность шестерен после цементации, кулачки вала после высококачественной закалки и др.).Для выполнения данного задания(расчет режима на одну деталь) общее время пребывания детали в электропечи при отпускесоставляет примерно 2 мин на 1 мм максимального сечения для углеродистых сталей и 3 мин – для легированных сталей (но не менее 30-40 мин для деталей небольшого сечения).
В структуре стали сохраняется мартенсит, но с несколько измененной кристаллической решеткой, в результате чего немного уменьшается твёрдость и внутренние напряжения. Структура – отпущенный мартенсит, или мартенсит отпуска (рис.5).
Мелкоигольчатый мартенсит
Рисунок 5 - Мартенсит отпущенный
Средний отпуск (350…500ºС) обеспечивает высокую твёрдость 40…50HRC и максимальный предел упругости. Применятся для пружин, рессор, а также штампов. Охлаждение после отпуска при 400…500ºС следует проводить в воде, что способствует образованию на поверхности сжимающих остаточных напряжений, которые увеличивают предел выносливости пружин. Структура стали после отпуска состоит в основном из троостита отпуска, то есть представляет собой мелкодисперсную смесь феррита и цементита (рис.6)
феррит
цементит
Рисунок 6 - Троостит отпуска
Высокий отпуск (500…600ºС) применяется для деталей, которым требуется сочетание высокой вязкости и достаточной прочности с твёрдостью 20…25HRC. Применяется для ответственных крепежных деталей и изделий машин из конструкционных сталей (валы, оси, шатуны и др.) с содержанием углерода 0,3…0,5%. Закалку с высоким отпуском называют улучшением. Некоторые стали, особенно специальные, при медленном охлаждении после отпуска с температур выше 450ºС приобретают так называемую отпускную хрупкость, которая заключается в понижении ударной вязкости. Для предупреждения отпускной хрупкости после высокого отпуска изделия необходимо быстро охладить в масла. Длительность отпуска – 1…6 часов в зависимости от размеров детали. Для выполнения данного задания можно принять продолжительность отпуска из расчета 2мин/мм сечения для углеродистых и 3 мин для легированных сталей. Для мелких деталей – 30-40 мин. Структура – сорбит отпуска (феррито-цементитная смесь средней дисперсности и зернистого строения) (рис. 7).
феррит
цементит
Рисунок 7 - Сорбит отпуска
ПОВЕРХНОСТНОЕ УПРОЧНЕНИЕ СТАЛЬНЫХ ДЕТАЛЕЙ ТЕРМИЧЕСКОЙ
И ХИМИКО-ТЕРМИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКОЙ
Таким деталям, как, например, шестерни, требуется высокая твёрдость на поверхности и вязкая сердцевина. Эти детали изготавливают из малоуглеродистых незакаливающихся сталей или легированных сталей с содержанием углерода не более 0,3% (например, 18ХГТ, 12Х2Н4А и др.), склонных незначительно упрочняться при закалке. Поверхность такой детали насыщается углеродом (т.е. проводят цементацию поверхности) на глубину 1,2…2,0 мм. Цементация производится при температуре 950ºС в течение 12…15 ч (скорость цементации примерно 0,1 мм\час), затем деталь закаливают в воде или масле и делают низкий отпуск. После низкого отпуска на поверхности сохраняется высокая твёрдость 62…64HRC и сохраняется вязкая сердцевина с твердостью 25-35 HRC.
Детали, требующие местного упрочнения части поверхности, изготавливают из среднеуглеродистых сталей с 0,4…0,6%С (40, 45, 40Х, 40ХНМ и др.). Как правило для таких сталей вначале делается нормализация или улучшение, а затем закалка поверхностного слоя токами высокой частоты (ТВЧ) на глубину 3…5 мм (шейки коленчатого вала, кулачки распредвалов и др.)рабочей части детали (лапа культиватора, нож сенокосилки) с последующим охлаждением в закалочной среде. Затем делается низкий отпуск. Твёрдость поверхности – 58…65 НRC.