Разработка технологического процесса термической обработки детали

Федеральное государственное бюджетное общеобразовательное высшего профессионального образования

«Чувашская государственная сельскохозяйственная академия»

 

 

 

 

Инженерный факультет

 

 

Кафедра Ремонта машин и ТКМ

 

 

 

 

 

 

РАЗРАБОТКА ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ПРОЦЕССА ТЕРМИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКИ ДЕТАЛИ

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Выполнил студент 2-го курса

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Чебоксары-2012

 

«РАЗРАБОТКА ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ПРОЦЕССА ТЕРМИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКИ ДЕТАЛИ»

 

 

 

Задание:

Разработать технологический процесс термической обработки стальной детали.

Марка стали – 12Х2Н4А

Твёрдость после окончательной термической обработки НВ 235...311

(HRC 23...30).

 

 

Цель работы:

- практическое ознакомление с  методикой разработки технологического  процесса термической обработки  деталей автомобиля, трактора и  сельскохозяйственных машин.

- приобретение навыков самостоятельной  работы со справочной литературой  и более глубокое усвоение  курса.

 

 

 

Порядок выполнения задания:

 

1. Расшифровать марку заданной  стали, описать ее микроструктуру, механические свойства до окончательной термообработки и указать, к какой группе по назначению она относится.

2. Описать характер влияния углерода  и легирующих элементов (каждого  в отдельности) заданной стали  на положении критических точек Aс1 и Ac3 , Aстд рост зерна аустенита, закаливаемость и прокаливаемость, на положение точек Мн и Мю на количество остаточного аустенита и на отпуск. При отсутствии легирующих элементов в заданной марке стали описать влияние постоянных примесей (марганца, кремния, серы, фосфора, кислорода, азота и водорода) на ее свойства.

3. Выбрать и обосновать последовательность операций предварительной

и окончательной термообработки детали, увязав с методами получения и обработки заготовки (литьё, ковка или штамповка, прокат, механическая обработка).

4. Назначить и обосновать режим  операций предварительной и окончательной  термообработки деталей (температура  нагрева и микроструктура в  нагретом состоянии, охлаждающая  среда). После каждой операции  термообработки привести и описать  микроструктуру.

5. Описать микроструктуру и механические  свойства материалов детали после  окончательной термообработки.

 

 

 

 

 

 

1- Расшифровка марки стали

Сталь 12Х2Н4А - качественная конструкционная углеродистая хромо - никелевая, среднелегированная.

Химический состав стали 12Х2Н4А:

 

-углерод 0,9 ...0,15% - хром 1,25.. .1,65 %       - кремний 0,17. ..0,37 %

-никель 3,25…3,65% - марганец 0,30.. .0,60 %  - сера ≤ 0,025%

-фосфор  ≤ 0,025%  - медь ≤ 0,30%   [1,с.37]

 

Механические свойства в состоянии поставки:

• Предел прочности при растяжении σвр=1130 МПа
• Предел текучести σт=930 МПа 
  -Относительное удлинение δ =10% 
  -Относительное сужение площади поперечного сечения ψ=50%

• Удельная ударная вязкость α = 88Дж/см2

-Твердость после отжига НВ 269 [2,с.З]

Микроструктура стали 12Х2Н4А

Легирующие элементы хром, никель самостоятельно в структуре стали не проявляются, т.к, растворяются в основных структурных составляющих стали в феррите и перлите. Известно, что хром и никель сдвигают точку эвтектоидного превращения влево, поэтому площадь занимаемая перлитом больше, чем 56% (как у стали 45). Кроме того и никель и хром измельчают перлитное зерно. Исходя из этого структура стали 12Х2Н4А имеет вид:

Темные зерна - это перлит, легированный хромом и никелем.

Светлые зерна - это феррит, в котором растворен никель и немного хрома, который предпочитает растворяться в пластинках цементита.

 
Рис.1. Микроструктура

стали 12Х2Н4А в состо-

янии поставки; (x…);

 

 

 

 

 

 

2. Влияние химического состава на положение критических точек

Никель понижает температуру нормализации, отжига и закалки, твердость и прочность, увеличивает прокаливаемость и склонность к перегреву. Незначительно повышает пластичность и прочность при высоких температурах.

Хром повышает температуру нормализации, отжига и закалки, а также твердость и прочность, увеличивается прокаливаемость, уменьшается склонность к перегреву, пластичность не снижается, прочность при высоких температурах повышается, увеличивается склонность к отпускной хрупкости.

 

Температура критических точек:

Aс1 = 745°С, Ac3 =800°С, Ar1=625°С, Ar3=675ºС, Мн=438ºС        

[1, http://metallicheckiy-portal.ru]

 

3. Выбор и обоснование последовательности термической обработки детали.

Термическая обработка по назначению делится на предварительную и окончательную.

Цель предварительной термической обработки сделать материал заготовки мягким, удобно обрабатываемым режущим инструментом. Сюда относятся нормализация и отжиг.

При нормализации сталь нагревается до температуры на 30…50°С выше критической точки Ac3 выдерживается при этой температуре в течение времени достаточном, чтобы произошли все процессы диффузионного растворения углерода и легирующих элементов в аустените, но зерно аустенита не должно вырастать. После этого заготовка вынимается из печи и охлаждается на воздухе обычно в томильной яме.

При отжиге, режим которого такой же, как и при нормализации, заготовки не вынимаются из печи, а охлаждаются вместе с печью, которая отключается. После нормализации и отжига микроструктура подобна микроструктуре приведенной на рис.1.

Заготовка может несколько раз подвергаться предварительной термической обработке в зависимости от сложности механической обработки.

В нашем случае можно выбрать одноразовую нормализацию.

Температура нормализации 820 9С.

4. Назначение и обоснование режимов термической обработки.

После нормализации заготовки (прокат) детали следует механическая обработка. После механической обработки возможно упрочение материала, нагартовка и т.п. Поэтому после нее проводим отжиг с охлаждением детали вместе с печью.

Затем проводим закалку на мартенсит.

Температура закалки   t3= Ac3+(30…50)ºC=800+(30…50)≈850ºC

Ac3 определяется из диаграммы Fе—Fe3С.

После закалки проводим отпуск высокий t0 = 180ºС, чтобы получить сорбит отпуска                                                      [3, с. 548]

Последовательность операций при термической обработке:

Нормализация - механическая обработка – отжиг - закалка - отпуск высокий.

Время термической обработки при закалке детали из стали 12Х2Н4А состоит из времени нагрева до температуры закалки, т.е. до температуры 850°С, выдержки при этой температуре, которая определяется размером детали, способом укладки деталей в печи, видом печи (способом нагрева) и диффузионными процессами растворения легирующих элементов в аустените (время определяется элементом, который медленнее всего диффундирует в зерна аустенита).

После выдержки при температуре закалки детали охлаждается с критической скоростью до температуры цеха (Мн=438ºС).

Критическая скорость рассчитывается исходя из диаграммы изотермического распада аустенита стали 12Х2Н4А:

 

 

 

где:- температура закалки - 850ºС;

tа - температура минимальной устойчивости аустенита - ???ºС;

τа – время минимальной устойчивости аустенита.

 

Время минимальной устойчивости аустенита является определяющим для выбора среды охлаждения при закалке.

По влиянию на устойчивость аустенита и на форму кривых С - образной диаграммы при различных степенях переохлаждения легирующие элементы можно разделить на две группы:

1.  Некарбидо образующие элементы никель, кремний, алюминий, медь замедляют превращение аустенита в перлит. Они смешают линии начала и конца превращения аустенита вправо, не изменяя вида С - образной диаграммы.

2.  Карбидообразующие элементы марганец, хром, молибден, вольфрам, ванадий при температуре 700...500 ºС (образование структур типа перлита) замедляют превращение аустенита в перлит, при температуре 500...400 °С очень сильно замедляют превращение аустенита в тростит. При температуре 400..,300ºС замедление превращения аустенита в бейнит слабее, чем при температуре 500...400ºС. Это отражается на форме кривых изотермического превращения аустенита появлением двух максимумов.

Подобное влияние на превращение аустенита обнаруживается и у комплексно-легированных сталей карбидообразующими и некарбидообразующими элементами. Это обнаруживается и у стали 12Х2Н4А.              [4, с,200]

Температура закалки tз обычно выбирается на 30...50°С выше Ac3 однако у многих легированных сталей она значительно превышает Ac3 (на 150...250°С), что необходимо для перевода в твердый раствор специальных карбидов (хром) и получения требуемой легированности аустенита. [5,с.198,199].

 

Выбираем

t3= Ac3+(60…80)ºC=800+(60…80)=880ºC.

Зарисуем диаграмму изотермического превращения аустенита стали 12Х2Н4А (Рис.2). Проведем вектор критической скорости через точки температуры закалки (tз) и минимальной устойчивости аустенита для данной стали (τа).

 

 

 

 

Рис.2. Диаграмма изотермического превращения аустенита стали 12Х2Н4А. [9,с.42,1.

 

Из диаграммы (Рис.2) у стали 12Х2Н4А τа = 11 с.

Следовательно:   Vкр= (880-450)/(1,5*11) =26 С/с Охлаждающая среда - мыльная вода                [8, с.76].

Микроструктура после закалки состоит из игольчатого мартенсита.

Игольчатый мартенсит закалки с небольшим количеством остаточного аустенита между мартенситными иглами

 
Рис.3. Микроструктура стали 12Х2Н4А

 после закалки; (X 1000):

 

 

После закалки проводим отпуск высокий. Температура отпуска 640 ± 10ºС. Охлаждающей средой после отпуска - водный спокойный воздух.

[Э,с,34а,таблЛ1].

Получается твердость НВ 279. -323, что соответствует требованиям задании.

 

 

5. Описание микроструктуры и механических свойств материала детали

после окончательной термообработки.

После последней термической операции высокого отпуска сталь 12Х2Н4А детали имеет структуру сорбита.

Сорбит стали 12Х2Н4А представляет собой частички, имеющие более или менее округлую форму, цементита обогащенного хромом в основе перенасыщенного углеродом и обогащенного никелем феррита.

 

Механические свойства стали 12Х2Н4А.[    ]

σв=    МПа,  σт=     МПа, δs=%, αн=МДж/м2.

Рис.4. Микроструктура стали

12Х2Н4А после высокого отпуска;

(X 12500)

 

 

 

 

 

 

 

 

Рис.5. Режим термической обработки

 

 

Технологическая карта термической обработки стали 12Х2Н4А

Кафедра РМ и ТКМ	Техническая карта термической обработки
Наименование детали	деталь
Материал
Механические свойства стали после термообработки	НВ …,σв=МПа, σт=МПа, δs=%, ψ=%, αн=МДж/м2

Технологическая карта термообработки

№ п/п	Наименование операций термообработки	Режим температуры ºС	Охлажд. Среда	Твердость HB
	Предварительная
1.	Нормализация
2.	Механическая обработка
3.	Отжиг
	Окончательная
4.	Закалка
5.	Отпуск высокий

 

Дата	Составил студент	Работу принял