Особенности термообработки стали

Размещено на http://www.allbest.ru/

Содержание

Аннотация

1. Анализ соответствия материала и вида термической обработки, указанных в технических условиях (ТУ) чертежа, условиям работы детали

2. Выбор вида и разработка режимов предварительной и окончательной термической обработки детали

3. Выбор основного оборудования для термической обработки

4. Выбор способа поверхностного пластического упрочнения деталей после термической обработки

5. Контроль показателей качества термической обработки

6. Заполнение технологической документации

Список литературы



Аннотация

В данной работе разработан технологический процесс термической обработки оси из стали 20Х2Н4А. Оборудование: агрегат СНЦА 3.6.2/10.

Режимы термической обработки: нормализация, высокий отпуск, цементация, закалка, низкий отпуск.



1. Анализ соответствия материала и вида термической обработки, указанных в технических условиях (ТУ) чертежа, условиям работы детали

Исходные данные:

- сталь 20Х2Н4А, ГОСТ 4543 - 71;

- масса 3.88 кг;

-цементация ;

- глубина слоя поверхностной обработки 1.4 мм ;

- твердость после термической обработки 56 - 62 НRCэ.

Анализ соответствия материала и вида термической обработки, указанных в технических условиях (ТУ) чертежа, условиям работы детали.

Выбор стали и упрочняющей обработки в зависимости от условий эксплуатации представлен в табл. 1.

Таблица 1 Выбор стали и упрочняющей обработки в зависимости от условий эксплуатации.

Условия эксплуатации, требования к деталям	Детали	Марки сталей	Упрочнение
Большие ударные нагрузки (многократные изгибающие удары), вибрации, средние и высокие удельные давления, абразивные среды. Требуется высокая твердость и износостойкость поверхности и сохранение вязкой сердце вины	Зубчатые колёса, вал -шестерни, шлицевые валы, червяки, пальцы, золотники, кулачковые и зубчатые муфты, упоры	Цементуемые 0.1...0. 3% C 15Х 18ХГТ, 25ХГНТ, 18Х2Н4ВА, 20Х2Н4А, 18Х Н2МБФ, 20ХГНР, 20Х3Н3МФБА	Цементация, закалка, низкий отпуск (для сталей, содержащих более 2% никеля, перед закалкой производят высокий отпуск); нитроцементация, закалка, низкий отпуск; твёрдость поверхности 56....62 HRCЭ; твёрдость сердцевины 28...35 HRCэ.

В табл. 2 приведён химический состав стали.



Таблица 2 Химический состав стали

Марка стали	С	Mn	Si	S не более	P не более	Cr	Ni	Прочие элементы	ГОСТ или ТУ
Конструкционные
20Х2Н4А	0.16-0.22	0.3-0.6	0.17-0.37	0.025	0.025	1.25-1.65	3.25-3.65	-	4543-71

2. Выбор вида и разработка режимов предварительной и окончательной термической обработки детали

Маршрут изготовления оси из стали 20Х2Н4А:

1. Круглый прокат.

2. Предварительная термическая обработка - нормализация, высокий отпуск.

3. Механическая обработка. Механический цех.

4. Термическая обработка - цементация, высокий отпуск, закалка, низкий отпуск.

5. Окончательная механическая обработка. Механический цех.

Назначая РЕЖИМ термической обработки, следует установить:

- температуру нагрева ;

- время нагрева и выдержки при заданной температуре;

- скорость (среду) охлаждения воздух;

- оборудование.

Температура нагрева выбирается в зависимости от вида термической обработки с использованием критических точек. Температура нагрева для цементации 950°С.

Общая продолжительность нагрева, т.е. общее время пребывания изделий в нагревающей среде , состоит из времени нагрева до заданной температуры фн и времени выдержки при этой температуре : = + . Время нагрева можно упрощённо принять равным 1 мин на 1 мм толщины (учитывать толщину наиболее массивного сечения) для углеродистых сталей. Время выдержки принимают равным 0.2.

= 206мин+36мин=240мин

Среда для нагрева и охлаждения деталей.

Ось из стали 20Х2Н4А закаливают в масло.

Цементацию ведут в среде природного газа и эндогаза, нитроцементацию в среде природного газа, эндогаза и аммиака.

Виды, режимы и механические свойства после предварительной термической обработки для стали 20Х2Н4А приведены в табл.3.

Виды, режимы и механические свойства после окончательной термической обработки приведены в табл.4.

Таблица 3 Виды, режимы и механические свойства после предварительной термической обработки.

Марка стали	Термообработка	Механические свойства
	Вид	Температура °С	Вид охлаждения	уB, МПа	уТ, МПа	д, %	ш, %	KCU, МДж/м2	HB, кгс/мм2
20Х2Н4А	Н ВО	920-940 650	Воздух воздух	925	850	-	-	-	241-269

*Вид термообработки : Н - нормализация, ВО - высокий отпуск.

Таблица 4 Виды, режимы и механические свойства после окончательной термической обработки

Марка стали	Термообработка	Механические свойства
	Вид	Темпер. °С	Вид охлажд.	уB, МПа	уТ, МПа	д, %	ш, %	KCU, МДж/м2	Твердость
									HB, кгс/мм 2	HRCэ
20Х2Н4А	Ц О З О	920 650 850 200	Воздух Воздух Масло воздух	1270	1080	9	45	0.8	-	56-62/32

*Вид термообработки : Ц - цементация, О - отпуск, З - закалка.

**В числителе - твёрдость поверхности, в знаменателе - твёрдость сердцевины.

3. Выбор основного оборудования для термической обработки

Оборудование для предварительной термической обработки (ПТО).

Мелкие поковки и отливки для ПТО можно нагревать в камерных печах типа СНО и толкательных типа СТО, ТТО (рис. 1).

а)

термический обработка сталь ось



б)

Рис.1. Печи для ПТО мелких поковок и отливок

а - камерная печь типа СНО, имеет механизм 2 подъема заслонки 1 и устройство пламенной завесы 3, позволяющей поддерживать постоянную атмосферу печи; газовая завеса срабатывает при открывании дверцы, она герметизирует печь, предотвращая подсасывание воздуха и образование взрывчатых смесей. б - толкательная печь типа ТТО с газовым нагревом, имеет толкатель 1, приемный стол 2, дверцы печи 3, поддоны с заготовками 4.

Оборудование для окончательной термической обработки (ОТО).

Применяют универсальные камерные печи (рис. 2), нагрев деталей в которых ведется с применением защитных атмосфер, предохраняющих детали от окисления и обезуглероживания, а закалка происходит в закрытой камере, также не имеющей доступа воздуха; процессы загрузки в печное пространство и выгрузки на стол закалочного бака, закалки и выгрузки из закалочной камеры механизированы, что повышает качество термообработки, облегчает труд термиста, повышает производительность и безопасность условий труда. Камерные печи бывают тупикового типа (загрузка и выгрузка деталей с одной стороны) и проходного типа. Проходные печи имеют более высокую производительность. С целью снижения времени и затрат на транспортирование целесообразно несколько видов оборудования (печи, закалочные баки, моечные машины и д.р.), связанных общим производственным циклом, устанавливать один за другим в порядке последовательности операций и составлять таким образом агрегат для термической обработки.

Оборудование агрегата может быть установлено в одну линию (рис. 3), и может иметь П-образное расположение (рис. 4).

Рис. 3. Агрегат для химико-термической обработки: 1 - цементационная печь; 2 - закалочная печь; 3 - моечная машина; 4 - отпускная печь; 5 - транспортная тележка.



Рис. 4. Агрегат для химико-термической обработки

1 - печь для цементации; 2 - подстуживание до температуры закалки и закалочный бак; 3 - моечная машина; 4 - отпускная печь; 5 - рольганг (роликовый транспортер).

Деталь - ось, диаметр 60, длина 172, сталь 20Х2Н4А, маршрут технической обработки: цементация, высокий отпуск, закалка, низкий отпуск.

Оборудование - агрегат СНЦА 3.6.2/10. Размеры рабочего пространства печей: 3 - ширина рабочего пространства, дм; 6 - длина рабочего пространства, дм; 2 - высота рабочего пространства, дм.

Разработка приспособлений для загрузки деталей в печь.

Для предварительной термической обработки заготовки либо укладываются на поддон, либо в ящичную тару, устанавливаемую на поддон (рис. 5).



Рис. 5. Загрузка мелких заготовок на ПТО в камерные и толкательные печи. 1 - поддон; 2 - ящик из жароупорного материала.

Загрузка деталей на окончательную термическую обработку в специальные приспособления, способствует равномерному прогреву деталей или равномерному контакту с насыщающей средой при химико-термической обработке.

Приспособления (поддоны, штыревые и скалочные приспособления, подвески, оправки и т.д.) работают в тяжелых условиях, так как они многократно вместе с деталями нагреваются и охлаждаются, поэтому сроки службы их сравнительно невелики. Изготавливаются приспособления из жароупорных сплавов типа Х23Н18. Конструкции приведены на рис. 6.

Рис. 6. Приспособления с ячейками для установки осевых деталей в вертикальном положении для нагрева деталей в камерных и толкательных печах.



Выбор вспомогательного оборудования. В печах для термической обработки необходимо поддерживать определенный состав газовой атмосферы (безокислительный, науглероживающий, обезуглероживающий, нейтральный). Наиболее перспективна атмосфера экзо-эндогаза.

Характеристика установок для приготовления контролируемых атмосфер приведена в табл. 5

Таблица 5 Характеристика установок для приготовления контролируемых атмосфер

Установка	Состав контролируемой атмосферы, %	Производ-сть, мі/ч	Мощность электрообор-ния, кВт	Габаритные размеры, мм
				Длина	Ширина	Высота
ЭН-62/ЭК-62	Экзо-эндогаз (20%СО, 20%Н2, остальное- азот). Точка росы 50-60°С.	62.5	12	3500	2250	2740

Управление составом атмосферы печей. Для регулирования состава атмосферы применяют методы прямого и косвенного измерения [6]. Прямой метод основан на измерении электросопротивления железной проволоки при ее науглероживании в атмосфере печи. Косвенные методы основаны на измерении углеродного потенциала по содержанию водяных паров, определяемых по температуре точки росы или по содержанию СО2 и О2 (кислородному потенциалу).

Для измерения температуры точки росы используют приборы, работа которых основана на определении температуры охлаждаемого металлического зеркала в момент конденсации на нем влаги, содержащейся в газе. Контроль содержания СО2 ведется с помощью газовых анализаторов. Необходимое содержание СО2 в печи достигается добавкой природного газа в определенных количествах, установленных экспериментально.

Кислородный зонд представляет собой измерительный щуп из ZrO2. Метод измерения заключается в определении разности значений содержания кислорода в окружающей среде и в печи.

Установка для контроля и регулирования печной атмосферы представляет собой аппаратный шкаф, в котором смонтированы приборы и оборудование: габаритные размеры шкафа примерно 15007001800 мм.

4. Выбор способа поверхностного пластического упрочнения деталей после термической обработки

Основные виды ППД показаны на рисунке 7.

Рис 7. Основные виды упрочнения пластическим деформированием поверхности

а - пневматический наклеп дробью; б - механический наклеп дробь; в - центробежно-шариковый наклеп; г - обкатка роликами; д - обкатка шариками; е - обкатка вибрирующим роликом; ж - наклеп механической чеканкой; з - раскатывание отверстия роликами; и - дорнование. Обкатывание роликом применяют для улучшенных деталей. Ролики изготавливают из инструментальных сталей ХВГ, Х12М, ШХ15 и др. и закаливают на твердость 58-65 HRCэ. Деформация поверхности зависит от силы обкатывания, профильного радиуса ролика, подачи, числа проходов.

5. Контроль показателей качества термической обработки

Основные показатели качества, которые следует определять при термической обработке:

- химический состав;

- макроструктура (выборочно, по мере необходимости, до термообработки), микроструктура до и после термической обработки;

- глубина слоя и его состав после химико-термической обработки;

- глубина слоя и его состав после химико-термической обработки, глубина слоя после поверхностной закалки;

- твердость после предварительной и окончательной термообработки;

- механические свойства образцов, термообработанных вместе с заданными деталями (в случае необходимости);

- состояние поверхности (микротрещины, обезуглероженный слой).

Для более полного 100%-го контроля изделий применяют методы непрерывного неразрушающего контроля, которые позволяют установить микротрещины, неравномерное распределение твердости по поверхности и т.д.

Глубину слоя (цементованного, нитроцементованного ) проверяют по «свидетелю» - прутку, изготовленному из той же стали что и обрабатываемый материал. Структуру цементованного слоя и сердцевины детали, а также твердость сердцевины цементуемых деталей проверяют по образцу - разрезанной части детали аналогичной марки стали.

Структуры и условия их образования при термической обработке приведены в табл. 6 и на рис. 8.

Вид термообработки	Сталь	Структура
Цементация	доэвтектоидная	В поверхностном слое -мартенсит или мартенсит+остаточный аустенит, или мартенсит+карбиды (карбонитриды)+остаточный аустенит.В сердцевине (на глубине 2-3 толщин цементованногослоя) -сорбит
Закалка полная (скорость охлаждения выше критической)	доэвтектоидная	Мартенсит
Отпуск закаленной стали	доэвтектоидная и заэвтектоидная	В зависимости от температуры отпуска отпущенный мартенсит, отличающийся от мартенсита закалки меньшей степенью тетрагональности, или троостит, или сорбит, или сорбитообразный перлит

Рис. 8. Микроструктуры сталей после цементации, закалки и низкого отпуска, Х400



1 - мелкоигольчатый мартенсит, аустенит (балл 2) - годная к эксплуатации;

2 - грубоигольчатый мартенсит;

3 - цементованный слой, обезуглероженный с поверхности;

4 - грубая цементитная сетка;

5 - остаточный аустенит;

6 - грубые карбонитриды в поверхностном слое (балл 6 по карбонитридам);

7- структура сердцевины - сорбит и феррит (балл 1) - годная к эксплуатации.

6. Заполнение технологической документации

Технологический процесс термической обработки втулки из стали 45, включающий виды и режимы предварительной и окончательной термической обработки:

1. Нормализация при температуре 850°С, общее время 206 мин.

2. Высокий отпуск при температуре 500°С

3. Цементация поковок. Температура 950°С, время 14 ч, оборудование - агрегат СНЦА 3.6.2/10

4. Высокий отпуск при температуре 650°С

5. Полная закалка в масло, температура 850°С

6. Промывка в моечной машине

7. Низкий отпуск при температуре 200°С

8. Контроль твердости (контроль микроструктуры по образцу - свидетелю).

9. Обкатывание роликом.



Планировка участков термических цехов

Участок с универсальными камерными печами типа СНЦА: 1-камерная отпускная печь типа СНО; 2-моечная машина; 3-камерная универсальная закалочная печь типа СН3; 4-камерная универсальная цементационная печь типа СНЦ; 5-стеллажи; 6-механизированная тележка.



Список литературы

1. Шубина Н.Б., Сурина Н.В., Белянкина О.В., Сизова Е.И. Технология конструкционных материалов. Технологические процессы в машиностроении. - М.: Издательство МГГУ, 2005. - 73 с.

Размещено на Allbest.ru

...