AС1
|
AС3
|
Ar3
|
Ar1
|
Mn
|
743
|
815
|
730
|
693
|
325
|
Сталь 40Х - углеродистая, конструкционная,
качественная, хромистая сталь. По структуре эта сталь - доэвтектоидная, по
способу раскисления - спокойная, по качеству - качественная, по назначению -
конструкционная, по содержанию углерода - среднеуглеродистая.
Содержание углерода в стали оказывает
заметное влияние на структуру и свойства стали. Увеличение содержания углерода
приводит к повышению прочности и понижению пластичности, повышает порог
хладноломкости и уменьшает ударную вязкость.
Углерод также оказывает влияние на
технологические свойства: с повышением содержания углерода ухудшаются
свариваемость и способность к деформации в горячем и холодном состояниях.
Хром - очень распространенный легирующий
элемент. Он повышает точку А3 и понижают точку А4 (замыкает
область γ-железа). Температура эвтектоидного превращения стали (точку А1)
в присутствии хрома повышается, а содержание углерода в эвтектоиде (перлите)
понижается. С углеродом хром образует карбиды (Cr7 C3, Cr4
C) более прочные и устойчивые, чем цементит. При содержании хрома 3 - 5% в
стали одновременно присутствуют легированный цементит и карбид хрома Cr7
C3, а если более 5% хрома, то в стали находится только карбид хрома.
Растворяясь в феррите, хром повышает его твердость и прочность и прочность,
незначительно снижая вязкость. Хром значительно увеличивает устойчивость
переохлажденного аустенита.
В связи с большой устойчивостью переохлажденного
аустенита и длительностью его распада, изотермический отжиг и изотермическую
закалку хромистой стали проводить нецелесообразно.
Хром значительно уменьшает критическую
скорость закалки, поэтому хромистая сталь обладает глубокой прокаливаемостью. Температура
мартенситного превращения при наличии хрома снижается. Хром препятствует росту
зерна и повышает устойчивость против отпуска. Поэтому отпуск хромистых сталей
проводится при более высоких температурах по сравнению с отпуском углеродистых
сталей. Хромистые стали подвержены отпускной хрупкости и поэтому после отпуска
детали следует охлаждать быстро (в масле).
Карбидообразующими элементами являются
хром и марганец. При растворении карбидообразующих элементов в цементите
образующиеся карбиды называются легированным цементитом. При повышении
содержания карбидообразующего элемента образуются самостоятельные карбиды
данного элемента с углеродом, так называемые простые карбиды, например, Cr7
C3, Cr4 C, Mo2 C. Все карбиды очень тверды
(HRC 70 - 75) и плавятся при высокой температуре (Cr7 C3 примерно
при 1700°С).
Введение легирующих элементов оказывает
влияние на перлитное превращение. Температура перлитного превращения под
влиянием различных легирующих элементов может понижаться или повышаться, а
концентрация углерода в перлите уменьшается- В связи с этим точка S на
диаграмме Fe-Fe3 C понижается или повышается и одновременно
сдвигается влево. Следовательно, при введении легирующих элементов происходит
смещение равновесных точек на диаграмме Fe-Fe3 C.
При наличии карбидообразующих элементов
кривая изотермического распада не сохраняет свой обычный С-образный вид, а
становится как бы двойной С-образной кривой. На такой кривой наблюдаются две
зоны минимальной устойчивости аустенита и между ними - зона максимальной
устойчивости аустенита. Верхняя зона минимальной устойчивости аустенита
расположена в интервале температур 600 - 650°С. В этой зоне происходит распад
переохлажденного аустенита с образованием феррито-цементитной смеси.
Рис. 1 Микроструктура игольчатого
троостита
Необходимо иметь в виду, что
карбидообразующие элементы только в том случае повышают устойчивость аустенита,
если они растворены в аустените. Если же карбиды находятся вне раствора в виде
обособленных карбидов, то аустенит, наоборот, становится менее устойчивым. Это
объясняется тем, что карбиды являются центрами кристаллизации, а также тем, что
наличии нерастворенных карбидов приводит к обеднению аустенита легирующим
элементом и углеродом.
При большом содержании хрома в стали
находятся специальные карбиды хрома. Твердость такой стали при нагревании до
более высокой температуры 400 - 450°С почти не изменяется. При нагревании до
более высокой температуры (450 - 500°С) происходит повышение твердости.
1.3 Операции термической обработки
Исходя из требований, предъявляемых к
детали, считаем, что необходимо выполнить следующие операции термической
обработки:
Закалка для повышения прочности и
твердости втулки;
Низкий отпуск снижения закалочных
напряжений, некоторого повышения прочности и улучшения вязкости без заметного
снижения твердости и износостойкости;
Можно было бы провести лишь одну операцию
- нормализацию, но твердость стали 40Х после нормализации HB= 174-217 что не
достаточно для тех условий, в которых работает деталь.
Выбираем следующую последовательность
операций обработки втулки при её изготовлении из поковки (маршрутный
технологический процесс): механическая обработка - закалка + низкий отпуск -
окончательная механическая обработка.
Закалка
Закалка проводится при температуре 850°С
т.е. на 35°С выше критической AС3, охлаждение в масло, что значительно уменьшает
степень деформации.
Рис. 2. Интервал температур нагрева на
диаграмме состояния железо - углерод при отжиге и закалке изделий из сталей
Появившийся в результате закалки
тетрагональный мартенсит, имеющий искажённую решётку, неустойчив и стремится
перейти в более устойчивую форму кубического мартенсита. Этот переход влечёт за
собой изменение объёмов атомной решётки, а следовательно, и деформацию детали.
При комнатной температуре этот переход происходит очень медленно, в течение
нескольких месяцев и даже лет, а при повышенной температуре в течение
нескольких часов или десятков минут.
Рис. 3. Схема микроструктуры
доэвтектоидной стали 40 после закалки в масле. Мартенсит и троостит
Низкий отпуск
Низкий отпуск проводим при температуре
150-200°С с последующим охлаждением на воздухе. Отпуск ослабляет остаточные
напряжения и уменьшает хрупкость деталей.
Рис. 4 Микроструктура мартенсита
После такого режима термической обработки
структура поверхностного слоя - мелкоигольчатый мартенсит с вкраплениями
избыточного цементита, а сердцевины - мелкозернистый феррит+перлит.
2. Дефекты закалки
Недостаточная твердость
закаленной детали - следствие низкой температуры нагрева, малой выдержки при
рабочей температуре или недостаточной скорости охлаждения.
Исправление дефекта: нормализация или
отжиг с последующей закалкой; применение более энергичной закалочной среды.
Перегрев связан с нагревом
изделия до температуры, значительно превышающей необходимую температуру нагрева
под закалку. Перегрев сопровождается образованием крупнозернистой структуры, в
результате чего повышается хрупкость стали.
Исправление дефекта: отжиг (нормализация)
и последущая закалка с необходимой температуры.
Пережог возникает при нагреве
стали до весьма высоких температур, близких к температуре плавления (1200-1300°
С) в окислительной атмосфере. Кислород проникает внутрь стали, и по границам
зерен образуются окислы. Такая сталь хрупка и исправить ее невозможно.
Окисление и
обезуглероживание стали характеризуются образованием окалины (окислов) на
поверхности деталей и выгоранием углерода в поверхностных слоях. Этот вид брака
термической обработкой неисправим. Если позволяет припуск на механическую
обработку, окисленный и обезуглероженный слой нужно удалить шлифованием. Чтобы
предупредить этот вид брака, детали рекомендуется нагревать в печах с защитной
атмосферой.
Коробление и трещины - следствия внутренних
напряжений. Во время нагрева и охлаждения стали наблюдаются объемные изменения,
зависящие от температуры и структурных превращений (переход аустенита в
мартенсит сопровождается увеличением объема до 3%). Разновременность
превращения по объему закаливаемой детали вследствие различных ее размеров и
скоростей охлаждения по сечению ведет к развитию сильных внутренних напряжений,
которые служат причиной трещин и коробления деталей в процессе закалки.
Образование трещин обычно наблюдается при
температурах ниже 75-100°С, когда мартенситное превращение охватывает
значительную часть объема стали. Чтобы предупредить образование трещин, при
конструировании деталей необходимо избегать резких выступов, заостренных углов,
резких переходов от тонких сечений к толстым; следует также медленно охлаждать
сталь в зоне образования мартенсита (закалка в масле, в двух средах,
ступенчатая закалка). Трещины являются неисправимым браком, коробление же можно
устранить последующей рихтовкой или правкой.
3. Карта технологического процесса
термической обработки
Карта технологического процесса термической
обработки
|
Наименование детали
|
Марка стали
|
ГОСТ
|
ВТУЛКА ЩЛИЦЕВАЯ КАРДАННОГО ВАЛА АВТОМОБИЛЯ
ЗИЛ-130.
|
Технические требования к детали
|
|
Твердость
|
Глубина слоя, мм
|
Другие
|
|
Поверхность
|
Сердцевина
|
|
требования
|
|
-
|
HB255-302
|
-
|
-
|
|
Механические свойства, не менее:
|
|
s0,2, МПа
|
sВ, МПа
|
d, %
|
y, %
|
KCU, МДж/м2,
при Т, 0С
|
|
|
|
|
|
20
|
- 40
|
- 60
|
после
|
|
780
|
980
|
10
|
45
|
59
|
34
|
-
|
118
|
Наименование и содержание операции
|
Оборудование
|
Среда обработки
|
Режим процесса
|
Примечание
|
Продолжительность, ч
|
|
|
|
|
|
нагрева
|
выдержки
|
общая
|
|
Закалка
|
Универсальная камерная печь СНО 5.10.5/11,5-И1
|
Масло
|
850
|
1
|
1,4
|
2,4
|
|
Низкий отпуск
|
|
Воздух
|
150-200
|
|
0,7
|
0,7
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Заключение
Обработка деталей может быть совершенно
различной в зависимости от особенностей технологического процесса. К наиболее
популярным методам термической обработки относятся отжиг сталей, нормализация,
закалка металлов, отпуск и обработка холодом. В процессе термической обработки
стальных деталей в структуре материала происходят изменения согласно диаграмме
железо-цементит. В соответствии с требованиями, которые предъявляется к стали,
необходимо выбрать наиболее оптимальный вид термической обработки. Главное -
помнить при этом о возможностях изменения параметров и характеристик операции
термической обработки деталей, таких как температура и скорость нагрева,
темп охлаждения, которые дают возможность получения различных свойств для
определенной стали.
В данной работе мы разработали
технологический процесс термообработки втулки шлицевой карданного вала
автомобиля ЗИЛ-130. Термическая обработка представляла собой комплекс операций:
цементация, закалка и низкий отпуск. После данных операций была получена
необходимая твердость HB255-302, что обеспечит качественную работу детали
и необходимый срок эксплуатации. Так же мы изучили влияние на сталь таких
химических элементов как углерод, хром, марганец.
Список литературы
1. Технология конструкционных материалов. Материаловедение:
краткий терминологический словарь-справочник / М.Л. Пантух, Ю.А. Лобейко. -
Изд. 2-е, перераб. и доп. - М.: Колос: Ставрополь: АРГУС, 2008. - 223.
2. Материаловедение. Технология конструкционных
материалов: учеб. для вузов / В.А. Оськин; В.В. Евсиков. - М.: КолосС, 2007
3. Материаловедение и технология металлов/Г.П. Фетисов, М.Г.
Карпман, В.М. Матюнин [и др.]. - М.:Высш.шк., 2006. - 862 с.
. Материаловедение и технология конструкционных материалов:
учеб. для вузов/ С.Н. Колесов, И.С. Колесов. - М.:Высш. шк., 2004.-578 с.
. Дальский, А.М. [и др.]. Технология конструкционных
материалов/ А.М. Дальский. - М.: Машиностроение, 2005. - 592 с.
6. Марочник сталей и сплавов / Под общ. ред. А.С.
Зубченко.-М.: Машиностроение, 2003. - 784 с.