Фазовый состав, структура, свойства и назначение сталей

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Содержание

термообработка сталь аустенит

Введение

1. Фазовый состав, структура, свойства и назначение сталей

1.1 Общие положения

1.2 Сталь 5ХГМ

1.3 Сталь 40Г2

2. Режим термообработки сталей 5ХГМ и 40Г2

2.1 Термообработка стали 5ХГМ

2.2 Термообработка стали 40Г2

3. Описание и анализ диаграмм изотермического распада аустенита

3.1 Общее описание диаграмм изотермического распада аустенита

3.2 Описание термокинетической диаграммы для стали 5ХГМ

3.3 Описание термокинетической диаграммы для стали 40Г2

4. Термическая обработка изделий изготовленных из сталей 5ХГМ и 40Г2

4.1 Термическая обработка штампов из стали 5ХГМ

4.2 Термическая обработка деталей из стали 40Г2

4.2.1 ТО коленчатых валов

4.2.2 ТО осей

4.2.3 ТО распределительных валов

Выводы

Литература



Введение

Чтобы оценить роль стали в нашей жизни, достаточно просто оглядеться вокруг себя. Еще с далеких времен наших предков, когда человечество только научилось получать и обрабатывать металл, нашу повседневную жизнь стали наполнять самые различные металлические изделия: от примитивного наконечника копья, увеличивавшего шансы на выживание, до современных сложнейших механизмов.

Появление в середине XIX века прокатного железа (металлического проката), ознаменовало следующий шаг в применении металла в качестве важнейшего строительного материала. Из него делают колонны, балки и фермы каркасов и другие важные несущие конструкции промышленных и гражданских строений, сооружаются мосты, нефтепроводы, резервуары для хранения газа и нефти. Из металла делают наружную облицовку стеновых панелей, оконные блоки, двери, трубы, шахты и прочее строительное оборудование. На нашей планете имеется множество выдающихся сооружений в которых применены металлические конструкции. И по сегодняшний день основным материалом для изготовления множества конструкций все еще остается сталь.

Попробуем разглядеть мир металла, мир, в котором человек и металл так тесно связаны каждый день уже много сотен лет. Человек повседневно пользуется множеством самых различных металлических изделий, от подручных вещей, украшений и прочей приятной атрибутики, до более серьезных сложных и дорогих узлов и механизмов.

Мы стремимся сделать свой дом не просто жильем, а жильем привлекательным, символом надежности и процветания. Он желает создать неповторимый образ своего дома и придать ему черты респектабельности. И не важно, что это будет: изящные решетки на окнах, входные двери, роскошный забор и солидные ворота, козырек над крыльцом, перила, балкон, лестница или массивная кованная мебель в интерьере. А может быть просто беседка во дворе или на участке загородного дома.



1. Фазовый состав, структура, свойства и назначение сталей

1.1 Общие положения

При изготовлении технологической оснастки используются специальные стали, многие из которых обладают особыми свойствами в отличие от сталей, обычно применяемых в машиностроении.

Наиболее ответственные детали штампов, пресс-форм и форм для литья металлов под давлением изготовляются из углеродистых и легированных инструментальных сталей определенных марок, выделенных в особую категорию и называемых штамповыми.

Штамповые стали в свою очередь подразделяются на три основные группы, а именно:

1 -- штамповые для деформирования металлов в холодном состоянии;

2 -- штамповые для деформирования металлов в горячем состоянии;

3 -- штамповые, устойчивые против коррозии.

К каждой из указанных групп сталей в соответствии с их назначением предъявляются особые требования, характеризующие данную группу.

Штамповые стали первой группы, предназначенные для изготовления штампов холодной штамповки, должны иметь после окончательной термической обработки высокую твердость на рабочих поверхностях и режущих кромках, высокую износостойкость, необходимую для сохранения формы и размеров рабочих кромок при эксплуатации штампа, высокую прочность как рабочей кромки, непосредственно воздействующей на обрабатываемый материал, так и участков штампа, воспринимающих наибольшие изгибающие и скручивающие нагрузки.

Штамповые стали второй группы должны сохранять повышенные механические свойства при высоких температурах. Их термически обрабатывают таким образом, чтобы получить большую вязкость при меньшей твердости сравнительно со сталями других групп.

Штамповые стали третьей группы применяются для изготовления из них матриц пресс-форм и форм для литья металлов под давлением. Помимо свойств сталей второй группы, они должны обладать устойчивостью против воздействия агрессивных сред -- химически активных пластмасс, агрессивных сплавов отливаемого металла.

Важнейшее требование, предъявляемое ко всем видам штамповых сталей, -- сочетание твердости с высокой вязкостью. Штамповые стали должны обладать также особыми технологическими свойствами, к которым относятся:

хорошая обрабатываемость, т. е. способность хорошо принимать обработку резанием и обработку давлением в холодном и горячем состоянии;

хорошая прокаливаемость, т. е. возможность получить высокую и однородную твердость, равномерную мелкокристаллическую структуру на большую глубину;

малая чувствительность к перегреву, т. е. возможность закалки с нагревом в достаточно широком интервале температур;

малая деформация при термической обработке;

небольшая чувствительность к обезуглероживанию при нагреве, снижающем твердость поверхностного (рабочего) слоя металла;

хорошая шлифуемость, определяющая высокое качество шлифованной и полированной поверхности.

Марганцовистая сталь обладает большей прочностью, чем обыкновенная сталь. Она особенно хорошо сопротивляется ударам; из марганцовистой стали изготовляются стрелки железнодорожных путей, части камнедробильных машин, каски, защищающие голову бойца от пуль и осколков снарядов, танковая броня и наконечники бронебойных снарядов.

Углеродистые и низколегированные стали магнитны, а марганцовистые аустенитные немагнитны, поэтому их можно легко отличить с помощью магнита.



1.2 Сталь 5ХГМ

Марка:	5ХГМ
Заменители:	5ХНМ, 5ХНВ, 6ХВС, 5ХНС, 5ХНСВ, 5ХГСВФЮ
Классификация:	Сталь инструментальная штамповая
Применение:	молотовые штампы паровоздушных и пневматических молотов с массой падающих частей до 3 т, ковочные штампы для горячей штамповки, валки крупных, средних и мелкосортных станов для прокатки твердого металла.

Химический состав в % материала 5ХГМ

ГОСТ 5950 - 73, в последней версии ГОСТа материал отсутствует

C	Si	Mn	Ni	S	P	Cr	Mo	Cu
0.5-0.6	0.25-0.6	1.2-1.6	до 0.35	до 0.03	до 0.03	0.6 - 0.9	0.15 - 0.3	до 0.3

Температура критических точек материала 5ХГМ

Ac₁ = 700, Ac₃(Ac_m) = 800, Ar₃(Arc_m) = 700, Mn = 220

Технологические свойства материала 5ХГМ

Свариваемость:	не применяется для сварных конструкций.
Флокеночувствительность:	чувствительна.
Склонность к отпускной хрупкости:	склонна.

Механические свойства при Т=20^oС материала 5ХГМ

Сортамент	Размер	Напр.	ув	ут	д5	ш	KCU	Термообработка
-	мм	-	МПа	МПа	%	%	кДж / м2	-
			1570	1450	9	26	360	Закалка 850oC, масло, Отпуск 450oC, 2ч,

Твердость 5ХГМ после отжига, HB 10 ^-1 = 241 МПа



Зарубежные аналоги материала 5ХГМ

Германия
DIN, WNr
40CrMnMo7 55NiCrMoV6 57NiCrMoV7-7 X38CrMoV5-1

Указаны как точные, так и ближайшие аналоги.

Для инструментальной стали необходимы такие качества, как высокая твердость и износостойкость. Иначе инструмент не будет иметь необходимой стойкости, и его работа будет неэффективной.

Сталь в штампах испытывает значительные тепловые и ударные нагрузки, распределенные тепловые и ударные нагрузки, распределенные по сравнительно большой поверхности. Большую роль играет вязкость.

Для обработки стали применяют стальные инструменты: резцы, сверла, фрезы. Для обработки стали давлением (ковка, штамповка, прокатка) тоже используют стальные инструменты: прокатные валки, штампы и т.п. Соответственно свойства стали, из которой изготавливается инструмент, отличаются от свойств стали, которую при помощи этого инструмента обрабатывают.

1.3 Сталь 40Г2

Марка:	40Г2
Заменитель:	45Г2, 60Г
Классификация:	Сталь конструкционная легированная
Дополнение:	Сталь марганцовистая
Применение:	Оси, коленчатые валы, поршневые штоки, рычаги, распределительные валики, карданные валы, полуоси и другие детали.



Химический состав материала (%) 40Г2 ГОСТ 4543 - 71

C	Si	Mn	Ni	S	P	Cr	Cu
0.36-0.44	0.17-0.37	1.4-1.8	до 0.3	до 0.035	до 0.035	до 0.3	до 0.3

Температура критических точек материала (^оС) 40Г2

Ac1 = 713, Ac3(Acm) = 780, Ar3(Arcm) = 710, Ar1 = 627, Mn = 340

Технологические свойства материала 40Г2

Свариваемость:	трудносвариваемая.
Флокеночувствительность:	чувствительна.
Склонность к отпускной хрупкости:	склонна.

Механические свойства при Т=20oС материала 40Г2

Сортамент	Размер	Напр.	ув	ут	д5	ш	KCU	Термообработка
-	мм	-	МПа	МПа	%	%	кДж / м2	-
Пруток	Ш 50	Ц	770	590	18	57	680	Закалка 820oC, вода, Отпуск 600oC, вода,
Пруток	Ш 75	Ц	730	540	18	54	590	Закалка 820oC, вода, Отпуск 600oC, вода,
Пруток	Ш 100	Ц	720	490	18	56	290	Закалка 820oC, вода, Отпуск 600oC, вода,
Пруток, ГОСТ 4543-71	Ш 25		660	380	12	40		Закалка и отпуск

Твердость 40Г2 после отжига, ГОСТ 4543-71 HB 10 -1 = 217 МПа

Физические свойства материала 40Г2

T	E 10- 5	a 10 6	л	с	C	R 10 9
Град	МПа	1/Град	Вт/(м·град)	кг/м3	Дж/(кг·град)	Ом·м
20	2.12			7800



Зарубежные аналоги материала 40Г2. Указаны как точные, так и ближайшие аналоги

США	Япония	Китай
-	JIS	GB
1141 1340 1541 1541H G11410 G13400 G15410 H13400 H15410	SMn2 SMn438 SMn438H	40Mn2

Обозначения:

Механические свойства:

_в - Предел кратковременной прочности , [МПа]

_T - Предел пропорциональности (предел текучести для остаточной деформации), [МПа]

₅ - Относительное удлинение при разрыве, [%]

- Относительное сужение,[%]

KCU - Ударная вязкость, [кДж / м²]

HB - Твердость по Бринеллю, [МПа]

Физические свойства:

T - Температура, при которой получены данные свойства, [Град]

E - Модуль упругости первого рода, [МПа]

Коэффициент температурного (линейного) расширения (диапазон 20^o - T), [1/Град]

Коэффициент теплопроводности (теплоемкость материала), [Вт/(м·град)]

Плотность материала, [кг/м³]

C - Удельная теплоемкость материала (диапазон 20^o - T), [Дж/(кг·град)]

R - Удельное электросопротивление, [Ом·м]

Марганцовистая сталь - конструкционная сталь, легированная марганцем. Отличается высокой прочностью и износоустойчивостью. По составу подобна углеродистым сталям, но содержит много марганца. Легирование дополнительными элементами - хромом, никелем, азотом - укрепляет свойства марганцовистой стали. Из этого вида стал изготавливают цепи, щеки дробилок, била для роторных дробилок, прессы, гусеничные траки и др. При закалке становится мягкой, а при холодной ковке растет сопротивляемость металла и сталь становится твердой.

Марганцовистая сталь, содержащая 12-15 % Mn, идет для изготовления машинных частей, от которых требуется - большое сопротивление удару и истиранию. Так, из нее обычно делают рабочие части камнедробильных, машин и шаровых мельниц. Наибольшее количество марганцовистой стали идет для изготовления железнодорожных рельсов. Ферромарганец применяется при изготовлении специальных сталей и сплавов.

Основной недостаток марганцовистой стали - трудность обработки на станке. Второй недостаток заключается в возникновении у данного типа стали явления отпускной хрупкости. Однако вследствие больших запасов марганцовистых руд в России, дешевизне и доступности этого легирующего элемента марганцовистая сталь широко применяется в машиностроении, причем имеются весьма значительные перспективы дальнейшего ее распространения.



2. Режим термообработки сталей 5ХГМ и 40Г2

2.1 Термообработка стали 5ХГМ

Штампы для горячей штамповки изготовляют из сталей 5ХНМ, 5ХНВ, 5ХГМ и др. Такие стали после закалки и высокого отпуска имеют высокую твердость и износостойкость и обладают достаточной вязкостью, чтобы выдерживать большие ударные нагрузки при штамповке. В то же время эти стали хорошо противостоят многократным повторным нагревам от соприкосновения с горячей поковкой.

Штампы малых и средних размеров вначале подвергают механической обработке, а затем -- термической. При изготовлении крупных штампов, наоборот, вначале проводят термическую обработку, а затем -- механическую. Это обусловлено тем, что при термической обработке крупных штампов вследствие коробления нарушаются размеры штампа. В этом случае, правда, нельзя закалить штамп на высокую твердость, так как это затруднит механическую обработку. Впрочем, на крупных штампах высокая твердость при закалке в масле не получается. Допустить же более резкое охлаждение нельзя из-за опасности появления трещин.

При изготовлении штампов применяется также промежуточный вариант технологии, когда вначале производится предварительная механическая обработка, затем термическая и в заключение -- окончательная механическая обработка.

Температура закалки штампов из указанных сталей 840--860 °С. Небольшие и средние по размерам штампы, имеющие сравнительно простую форму гравюры, можно загружать в печь, нагретую до рабочей температуры. Крупные штампы, особенно в случае сложной формы гравюры, следует нагревать замедленно, по ступенчатому режиму: вначале до 600 °С и после выдержки для выравнивания температуры -- до температуры закалки.

Если закалка проводится после механической обработки, когда штамп уже имеет готовую гравюру, то нужно принять меры против окисления и обезуглероживания. С этой целью рабочую поверхность штампа перед нагревом засыпают отработанным карбюризатором или пережженной чугунной стружкой, а сверху обмазывают слоем огнеупорной глины. Чтобы исключить нежелательную операцию обмазки, можно после засыпки карбюризатора слоем 5--10 мм поместить на штамп герметичную крышку, уплотнив ее по замку штампа песочным затвором. Можно также установить штамп гравюрой вниз в железный ящик с карбюризатором. Лучший прогрев рабочей поверхности обеспечивается при установке гравюрой вверх. Если в печь загружается несколько штампов, то для улучшения условий нагрева их надо ставить на расстоянии не менее 100--150 мм один от другого.

Закалку штампов проводят в масле. Для этого в транспортные отверстия на боковых сторонах штампов вставляют штыри и с помощью крана штампы погружают в бак гравюрой вниз. Тяжелые штампы перемещать в баке для предотвращения образования паровой рубашки и мешков трудно. Лучше с этой целью устанавливать в баках масляные души или приспособления для струйной подачи масла. Это не только способствует устранению паровой рубашки, но также увеличивает скорость охлаждения, благодаря чему повышается прокаливаемость штампа (рис. 1).

Рис. 1. Закалка штампа масляным душем



На Волгоградском заводе тракторных деталей и нормалей применено приспособление для струйного охлаждения маслом при закалке штампов. Благодаря повышению прокаливаемости это позволило увеличить число возобновлений гравюры штампа и тем самым повысить общий срок его эксплуатации.

Иногда для принудительной циркуляции масла в бак вводят сжатый воздух. Это, однако, вызывает преждевременное старение масла и потому нецелесообразно.

При закалке крупных штампов со сложной гравюрой во избежание трещин можно перед погружением в закалочный бак подстуживать их до 780--750 °С. Положительное влияние также оказывает повышение температуры масла до 70--80 °С. Поскольку это предельно допустимая температура, необходим строгий контроль, исключающий возможность ее дальнейшего повышения.

Крупные штампы, имеющие массу 1,0--1,5 т и более, охлаждают водовоздушной смесью. Для этого применяют приспособления, одно из которых показано на рис. 2.

Рис. 2. Форсунка для закалки водовоздушной смесью



Оно представляет собой форсунку, в которую вода поступает через соединительный резиновый шланг и далее по кольцевому каналу проходит в отверстия, расположенные под углом к оси форсунки. Сжатый воздух подается по трубам через коллектор. В зависимости от размеров штампа форсунки устанавливаются в несколько рядов: число их в одном ряду может быть до 12 и более. Рекомендуется устанавливать расстояние между форсункой и закаливаемой поверхностью 500 мм, а расстояние между осями форсунок 150--200 мм. Давление воздуха 3 ат. Дальнейшее повышение давления лишь незначительно увеличивает интенсивность охлаждения. Регулирование скорости охлаждения достигается изменением расхода воды. Хорошие результаты получаются при охлаждении ступенями. Для этого в начальный период расход воды устанавливается наибольший -- до 500 л/ч, а в конце снижается до 100 л/ч. В последнем случае закаливающая способность смеси будет, примерно, такая же, как и масла. Другой вариант ступенчатого режима заключается в том, что охлаждение водовоздушной смесью проводится до потемнения поверхности (~500°С), после чего подается только сжатый воздух.

Во всех случаях охлаждение при закалке не доводят до комнатной температуры, так как вследствие большой массы штампа температура внутренней части его значительно отстает от температуры поверхности. При охлаждении поверхности до комнатной температуры отставание внутренней зоны по температуре, а значит и по тепловой усадке, становится настолько большим, что это нередко приводит к трещинам. В связи с этим охлаждение проводят лишь до 150--250°С (в зависимости от размеров штампа), после чего немедленно следует отпуск. Чтобы определить время, когда штамп достигнет такой температуры, нужен некоторый навык. Если температура будет ниже 180--200 °С, то при подъеме штампа из бака над поверхностью масла последнее не вспыхивает. В то же время, если температура будет не ниже 130--150 °С то капля влаги, попавшая на его поверхность, мгновенно испаряется.

2.2 Термообработка стали 40Г2

Целью легирования этих сталей является повышение закаливаемости и вследствие этого обеспечение более высоких механических свойств (главным образом, предела текучести) в процессе охлаждения при прокатке. Применение низколегированных сталей взамен углеродистых позволяет сэкономить 15...30% металла. Для того, чтобы упрочнение не сопровождалось излишним снижением вязкости, пластичности и свариваемости, содержание углерода и легирующих элементов в строительных сталях ограничивается. Достоинством низколегированных малоуглеродистых сталей является также их хорошая свариваемость.

Для получения высоких прочностных свойств по всему объему изделия применяют улучшение, то есть закалку в масле и высокий (550...650°С) отпуск. При такой обработке улучшаемая сталь имеет структуру зернистого сорбита, обеспечивающую наилучшее сочетание прочности и вязкости. К улучшаемым сталям относятся стали, содержащие s 0,35% С (углеродистые и малолегированные) и 0,2...0,3% С (средне- и высоколегированные).

Способность упрочняться на ту или иную глубину при одинаковом содержании углерода определяется влиянием легирующих элементов, но при небольших сечениях изделий это влияние менее заметно, а в деталях крупного размера у углеродистых и менее легированных сталей механические свойства значительно ниже. Поэтому выбор марки стали зависит как от уровня требуемых свойств, так и от толщины изделия, например, диаметр до 12...15 мм - стали 35, 40, 45, 50; диаметр до 50...75 мм - 40ХН, 25ХГСА, ЗОХГС; диаметр 75...120 мм - ЗОХНЗА, 40ХН2МА. Из сталей, упрочняемых по всему сечению, изготавливают оси, валы, шестерни, кривошипы, шпильки ответственного назначения, тонкостенные трубы и др.

Все легирующие элементы (особенно те, которые образуют карбиды: хром, ванадий, молибден, титан, вольфрам) препятствуют росту зерна аустенита. Располагаясь по границам зёрен, карбиды затрудняют рост зерна. Поэтому все легированные стали можно нагревать до более высоких температур, не опасаясь перегрева стали, что способствует более полному растворению карбидов в аустените.

Исключение составляют стали, легированные марганцем. Марганец не препятствует росту зерна аустенита. Поэтому марганцовистые стали следует нагревать до температур, возможно более близких к критической точке А_с3.

Так как легированные стали имеют меньшую теплопроводность, то для полного прогрева детали и более полного растворения карбидов в аустените нужна более продолжительная выдержка при достигнутой температуре, чем для углеродистых сталей.



3. Описание и анализ диаграмм изотермического распада аустенита

3.1 Общее описание диаграмм изотермического распада аустенита

Изотермическое превращение аустенита - это превращение переохлаждённого аустенита при постоянной температуре.

Превращение аустенита в перлит заключается в распаде аустенита - твёрдого раствора углерода в г-железе, на почти чистое б-железо и цементит.

Реакция изотермического превращения аустенита: Fe_г(C) > Fe_б + Fe₃C (Цементит)

При температуре равновесия A₁ превращение аустенита в перлит невозможно, так как при этой температуре энергии исходного аустенита и конечного перлита равны. Превращение может начаться лишь при некотором переохлаждении...



На рисунке показано время превращения аустенита в перлит в зависимости от степени переохлаждения, т.е. превращение переохлаждённого аустенита при постоянной температуре.

Поэтому такие диаграммы обычно называют диаграммами изотермического превращения аустенита. Кривые на диаграмме изотермического превращения аустенита имеют вид буквы С, поэтому их часто называют С-образными или просто С-кривыми. Горизонтальная линия M показывает температуру начала бездиффузного мартенситного превращения.

Свойства и строение продуктов превращения аустенита зависят от температуры, при которой происходил процесс его распада.

Связь между характером изотермического превращения аустенита, содержанием углерода и температурой показывает обобщённая диаграмма превращения переохлаждённого аустенита в углеродистой стали.

В зависимости от содержания углерода и степени переохлаждения мы имеем такие области превращений аустенита:

I - превращение аустенит > перлит;

II - предварительное выделение феррита и затем превращение аустенит > перлит;

III - предварительное выделение цементита и затем превращение аустенит > перлит;

IV - превращение аустенит > бейнит;

V - превращение аустенит > мартенсит и распад остаточного аустенита с образованием бейнита;

VI - превращение аустенит > мартенсит;

VII - переохлаждённый аустенит сохраняется без превращения.

После рассмотрения процесса превращения аустенита при постоянной температуре и разных степенях переохлаждения можно перейти к рассмотрению процесса распада аустенита при непрерывном охлаждении, когда сталь, нагретая до аустенитного состояния, охлаждается с разной скоростью.

Диаграмма изотермического распада аустенита строится в координатах температура-время; в этих же координатах изображаются и кривые охлаждения.

Для более точной оценки превращений, совершающихся при непрерывно меняющейся температуре, пользуются так называемыми теркмокинетическими или анизотермическими диаграммами превращений аустенита, диаграммами, характеризующими превращение аустенита при различных скоростях охлаждения.

3.2 Описание термокинетической диаграммы для стали 5ХГМ



Сталь 5ХГМ - среднелегированная инструментальная штамповая, химический состав приведены над диаграммой. Типичной термокинетической диаграммой распада переохлажденного аустенита будет диаграмма г). Диаграмма имеет две чётко разделенные между собой области перлитного превращения и выделения феррито-карбидной смеси. Следует отметить что при высокой скорости охлаждения аустенит притерпевает промежуточное превращение А>Б, а не в перлит. При более медленном охлаждении аустенит распадается на феррито-карбидную смесь А > Ф + К.

3.3 Описание термокинетической диаграммы для стали 40Г2

При температуре около 630 ^оС начинается выделение феррита из аустенита (Ф - А). Цифра 7 указывает, что образуется 7% феррита от общего объема данной зоны детали.

При температуре около 600 ^оС начинается перлитное превращение аустенита (А - П), оно заканчивается при температуре около 540 ^оС. Следует отметить, что при таких температурах переохлажденный аустенит превращается не в перлит, а в более дисперсные структуры сорбит и троостит и содержание этих перлитообразных структур составляет 70% от общего объема. Таким образом, к данному моменту в зоне сердцевины наблюдается 7% феррита. 70% перлитных структур (сорбит + троостит) и 33% переохлажденного аустенита.

При температуре 540 ^оС начинается бейнитное превращение аустенита. Сначала образуется верхний (перистый) бейнит. затем, при понижении температуры, образуется нижний (игольчатый) бейнит. Всего к концу бейнитного превращения при температуре около 280 ^оС содержание бейнита составляет 21% от общего объема.

При температуре около 280 ^оС начинается мартенситное превращение переохлажденного аустенита. К данному моменту остается непревращенным всего 2% аустенита. соответственно, количество мартенсита в структуре будет несколько меньше этой величины, так как всегда образуется некоторое количество остаточного аустенита.



4. Термическая обработка изделий изготовленных из сталей 5ХГМ и 40Г2

4.1 Термическая обработка штампов из стали 5ХГМ

Термическая и химико-термическая обработка штампов проводится с целью получения нужной структуры металла и определенной твердости и стойкости поверхности гравюры штампа. Завышенная твердость ведет к выкрашиванию поверхности ручьев, недостаточная - к их смятию.

Термическая обработка включает операции отжига, нормализации, закалки и отпуска. Последовательность выполнения этих операций зависит от размеров и назначения штампов. Термообработку обрезных, легких и средних молотовых штампов и вставок рекомендуется проводить после окончательной механической обработки. При этом особое внимание уделяется защите поверхности от окисления и обезуглероживания. Термообработка средних и полутяжелых штампов производится между предварительной и окончательной обработкой. Тяжелые штампы подвергаются термообработке до механической обработки.

Марка стали	Температура, °С	HB
	закалки	отпуска	отпуска хвостовика	рабочей части	хвостовика
5ХГМ	820-840	490-520	600-620	444-388	341-302

В последние годы большое внимание уделяется разработке способов термомеханической обработки (ТМО), способствующей значительному повышению стойкости штампов для горячего деформирования.

Сущность этого метода состоит в совмещении пластической деформации и термической обработки с целью получения необходимой структуры металла и оптимальных механических свойств.

Существует несколько видов ТМО. Наиболее распространенными из них являются высокотемпературная термомеханическая обработка (ВТМО) и низкотемпературная термомеханическая обработка (НТМО).

При ВТМО заготовка нагревается до температуры выше точки А_с3, подвергается пластической деформации (выдавливается гравюра штампа, прессуется пуансон или выталкиватель и т. п.), затем производится закалка и отпуск на требуемую твердость.

При НТМО сталь, находящаяся в области относительной устойчивости аустенита (температура выше мартенситной точки, но ниже температуры рекристаллизации), подвергается пластической деформации и затем закалке. Предварительно металл путем нагрева и выдержки при температуре выше А_с3 приводится в аустенитное состояние, а затем после переноса в другую печь или в соляную (свинцовую) ванну с фиксированной температурой охлаждается до температуры, при которой аустенит находится в области относительной устойчивости. При этой температуре производится пластическая деформация, закалка на мартенсит и отжиг на требуемую твердость.

4.2 Термическая обработка деталей из стали 40Г2

4.2.1 ТО коленчатых валов

Термическая обработка коленчатых валов преследует три цели:

1) увеличение прочности;

2) повышение износостойкости шеек, работающих в условиях трения и износа;

3) увеличение усталостной прочности, т. е. способности выдерживать большое число нагружений без поломок.

Коленчатые валы выполняют стальными и чугунными. Стальные изготовляют горячей штамповкой из легированных сталей 50Г, 40ХН и др. После штамповки следует нормализация. Коленчатые валы имеют сложную форму, и потому нужно принять все меры, чтобы не допустить их коробление при обработке. С этой целью целесообразно нагрев осуществлять в проходных печах щелевого типа. Валы подвешиваются на приспособлениях в вертикальном положении и с помощью подвесного конвейера продвигаются вдоль рабочего пространства печи. Если нормализация проводится с использованием теплоты после штамповки, то перед подачей валов в нормализационную печь необходимо снизить их температуру до 600--650 °С, с тем чтобы при последующем нагреве до температуры нормализации измельчить зерно. После нормализации валы подвергаются механической обработке, а затем производится поверхностная закалка шеек на установках ТВЧ. Такой способ закалки имеет, однако, существенные недостатки: неравномерность нагрева, а также неравномерность по толщине и расположению закаленной зоны. Основная причина этого -- неравномерное распределение электромагнитного поля, которое неизбежно при нагреве такими индукторами. Поэтому на ряде заводов применяют новый способ нагрева ТВЧ, который получил название растушевки. Он заключается в нагреве вращающейся шейки вала односторонне расположенным петлевым индуктором, охватывающим часть шейки. Так, например, обрабатывают коленчатые валы дизелей ЯМЗ-236 и ЯМЗ-238. Валы изготовляют из стали 50Г, и после нормализации производят поверхностную закалку шеек.

Наиболее напряженными участками коленчатого вала, откуда часто начинается разрушение в условиях эксплуатации, являются галтели. Так называют места перехода щеки вала в шейку. Упрочнение этих мест достигается одним из двух способов: закалкой галтелей одновременно с шейками; обкаткой галтелей с помощью роликов. При обкатке благодаря пластической деформации происходит упрочнение металла и создаются благоприятно действующие остаточные сжимающие напряжения. Поверхностная закалка шеек коленчатых валов с галтелями при индукционном нагреве является экономически более выгодным процессом.

Крупные коленчатые валы, как, например, валы тепловозов, диаметр шеек которых достигает 300 мм, подвергают поверхностной упрочняющей обработке методом азотирования. На Коломенском тепловозостроительном заводе им. В.В. Куйбышева коленчатые валы массой до 1,5 т изготовляют из стали 38ХН3ВА. Такие валы после предварительной термической обработки в виде нормализации и высокого отпуска проходят механическую обработку, а затем подвергаются улучшению: закалке в масле от 850--870 °С и отпуску при 540 °С. После предварительной шлифовки валы поступают на азотирование. Участки вала, не подлежащие азотированию, защищаются жидким стеклом. Азотирование проводится в контейнерных печах. Вал укладывается на две призмы, которые устанавливаются под две крайние шейки вала. Под средние четыре шейки подкладываются клинья и оставляются небольшие зазоры -- по 0,3 мм. Режим азотирования двухступенчатый: I ступень -- 500--510 °С, выдержка 30 ч, степень диссоциации аммиака 20--40%; II ступень -- 520--540 °С, выдержка 50 ч, степень диссоциации аммиака до 60%. Толщина азотированного слоя получается не менее 0,7 мм.

4.2.2 ТО осей

Технологию изготовления оси можно реализовать путем: нагрев под закалку (t=860⁰C), закалка производится в масло. Затем проводят отпуск (t=500⁰C) с охлаждением в воде или масле.

Перед закалкой, для измельчения зерна можно провести нормализацию (t=860⁰С) с охлаждением на воздухе.

После закалки получим структуру мартенсита пакетного. Структура после высокого отпуска - сорбит отпуска.

Закалка стали с высоким отпуском, обеспечивает высокие значения предела упругости и большую вязкость и высокую твердость поверхности.



t, ⁰C

Охлаждение после закалки проводится в масле, охлаждение должно обеспечить получение мартенситной структуры в пределах заданного сечения. После закалки делается высокий отпуск с охлаждением в воде.

Закалка производится в масле для уменьшения термических напряжений в детали. Для большей охлаждающей способности масло можно подогревать. Закалка в масло имеет преимущество перед закалкой в воду, так как уменьшается каробление и уменьшается вероятность появления закалочных трещин.

4.2.3 ТО распределительных валов

Основными видами термической обработки, различно изменяющими структуру и свойства стали и назначаемыми в зависимости от требований, предъявляемых к полуфабрикатам (отливкам, поковкам, прокату и т.д.) и готовым изделиям, являются отжиг, нормализация, закалка и отпуск.

Отжиг I рода

Этот вид отжига в зависимости от температурных условий выполнения устраняет физическую или химическую неоднородность, созданную предшествующими обработками. Характерная особенность этого отжига состоит в том, что устранение неоднородности происходит независимо от того, протекают ли в сплавах при этой обработке фазовые превращения или нет. Поэтому отжиг I рода можно производить при температурах выше или ниже температур фазовых превращений.

Гомогенизация.

Диффузионный отжиг применяют для слитков легированной стали с целью уменьшения дендритной или внутрикристаллической ликвации, которая повышает склонность стали, обрабатываемой давлением, к хрупкому разрушению, к анизотропии свойств и возникновению таких дефектов, как шиферность и флокены.

Оющая продолжительность диффузионного отжига (нагрев, выдержка и медленное охлаждение) больших садок металла достигает 50-100 часов и более.

Продолжительность выдержки - 8-20 часов.

Для удаления поверхностных дефектов слитки после отжига иногда подвергают нагреву при 670-680 С в течение 1-16 часов, что снижает твердость.

Рекристаллизационный отжиг - нагрев холоднодеформированной стали выше температуры рекристаллизации, выдержка при этой температуре с последующим охлаждением. Этот вид отжига применяют и после холодной обработки давлением и как промежуточную операцию для снятия наклепа между операциями холодного деформирования.температура отжига для достижения рекристаллизации по всему объему и сокращения времени процесса превышает температуру порога рекристаллизации. Продолжительность нагрева от 0.5 до 1.5 часов. Отжиг для снятия остаточных напряжений применяют для отливок, сварных изделий, деталей после оюработки резанием и др., в которых в процессе предшествующих технологических операций из-за неравномерного охлаждения, неоднородной пластической деформации и т.п. возникли остаточные напряжения. отжиг стальных изделий проводится при температуре 160-700 С с последующим медленным охлаждением. Отжиг для снятия сварных напряжений проводится при 650-700 С.

Отжиг II рода

Заключается в нагревестали до температуры выше точки Ас3 или Ас1, выдержке и последующим, как правило, медленном охлаждении, в результате которого фазовые превращения приводят к достижению практически равновесного структурного состояния.

После отжига углеродистой стали получаются структуры: феррит и перлит в доэвтектоидных сталях, перлит в эфтектоидной стали, перлит и первичный цементит в доэфтектоидных сталях. После отжига сталь обладает низкой твердостью и прочностью при высокой пластичности. Фазовая перекристаллизация, происходящая при отжиге, измельчает зерно и устраняет видмонштеттову и другие неблагоприятные структуры стали.

Отжиг в промышленности в большинстве случаев является подготовительной термической обработкой. Отжигу подвергают отливки, поковки, прокат. Понижая проюность и твердость, отжиг улучшает обработку резанием средне и высокоуглеродистой стали. Измельчая зерно, снимая внутреннее напряжение и уменьшая структурную неоднородность, он способствует повышению пластичности и вязкости. Иногда отжиг является окончательной термической обработкой.

Различают следующие виды отжига: полный, изотермический, неполный.

Нормализация

Она заключается в нагреве доэвтектоидной стали до температуры, превышающей точку Ас3 на 50 С, а эвтектоидной стали выше Аст также на 50 С, непродолжительной выдержке для прогрева садки и завершения фазовых превращений и охлаждений на воздухе. Нормализация вызывает полную фазовую перекрристаллизацию стали и устраняет крупнозернистую структуру, полученную при литье или прокатке, ковке или штамповке.

Ускоренное охлаждение на воздухе приводит к распаду аустенита при более низких температурах, что повышает дисперсность ферритно-цементитной структуры и увеличивает количество перлита. Это повышает на 10-15% прочность и твердость нормализованной средне и высокоуглеродистой стали по сравнению с отожженной.

Нормализация горячекатанной стали повышает ее сопротивление хрупкому разрушению, что характеризуется снижением порога хладноломкости и повышением работы развития трещины.

Назначение нормализации различно в зависимости от состава стали. Для низкоуглеродистых сталей нормализацию применяют вместо отжига. При повышении твердости нормализация обеспечивает большую производительность при обработке резанием и получении более высокой чистой поверхности. Для отливок из среднеуглеродистой стали нормализацию или нормализацию с высоким отпуском применяют вместо закалки и высокого отпуска. Механические свойства будут при этом несколько ниже, но изделия подвергнутся меньшей деформации по сравнению с получаемой при закалке и вероятность появления трещин практически исключается.

Нормализацию с последующим высоким отпуском (600-650 С) часто используют для исправления структуры легированных сталей вместо полного отжига, так как производительность и трудоемкость этих двух операций выше, чем одного отжига.

Для конкретной детали (распределительного вала) нормализация проходит при температуре 880 С с последующим охлаждением на воздухе.

Закалка

Закалка - это термическая обработка, заключается в нагреве стали до температуры выше критической или температуры растворения избыточных фаз, выдержке и последующем охлаждении со скоростью, превышающей критическую.

Закалка не является окончательной операцией термической обработки. Чтобы уменьшить хрупкость и напряжения, вызванные закалкой, и получить требуемые механические свойства сталь после закалки обязательно подвергают отпуску.

Инструментальную сталь в основном подвергают закалке и отпуску для повышения твердости, износостойкости и прочности, а конструкционную сталь - для повышения прочности, твердости, повышения достаточно высокой пластичности и вязкости, а для ряда сталей и высокой износостойкости.

Доэвтектоидной стали нагревают до температуры на 30-50 С выше точки Ас3. В этом случае сталь с исходной структурой перлит-феррит при нагреве приобретает аустенитную структуру, которая при последующем охлаждении со скоростью выше критической превращается в мартенсит. Закалку от температур соответствующих межкритическому интервалу (Ас1-Ас3), не применяются.

Заэвтектоидные стали под закалку нагревают несколько выше Ас1. При таком нагреве образуется аустенит при сохранении некоторого количества вторичного цементита. После охлаждения структура стали состоит из мартенсита и нерастворимых частиц карбидов, обладающих высокой твердостью. Интервал колебания температур закалки большинства сталей невелик (15-20 С).

Для многих сталей температура нагрева под закалку значительно превышает критические точки Ас1 и Ас3 (150-200 С), что необходимо для перевода в твердый раствор специальных карбидов и получения требуемой легированности аустенита.

Охлаждение при закалке должно обеспечить получение структуры мартенсита в пределах заданного сечения изделия и не должно вызвать закалочных дефектов: трещин, деформаций, короблений и высоких растягивающих остаточных напряжений в поверхностных слоях. Обычно для закалки используют неклеящие жидкости - воду, водные растворы солей и щелочей, масла.

Существуют различные способы закалки: непрерывной, прерывистой, ступенчатой, закалка с самоотпуском, изотермическая и светлая закалка.

Закаливаемость и прокаливаемость стали

Закаливаемость - это способность стали повышать твердость в результате закалки. Закаливаемость стали определяется содержанием в стали углерода.

Чем выше в мартенсите углерода, тем выше его твердость. Легирующие элементы оказывают относительно небольшое влияние на закаливаемость.

Прокаливаемость - это способность стали получать закаленный слой в мартенситной или тросто-мартенситной структурой и высокой твердостью на ту или иную глубину. Прокаливаемость определяется критической скоростью охлаждения, зависящей от состава стали. Если действительная скорость охлаждения в сердцевине изделия будет превышать критическую скорость закали, то сталь получит мартенситную структуру по всему сечению и тем самым будет иметь сквозную прокаливаемость. Если действительная скорость охлаждения в сердцевине будет меньше Vкрю, то изделие прокалится на некоторую глубину и прокаливаемость будет неполной. За глубину закаленного слоя условно принимают расстояние от поверхности до полумартенситной зоны.

Диаметр заготовки, в центре которой после закалки в данной охлождающей среде образуется полумартенситная структура, называют критическим диаметром.

Отпуск

Отпуск заключается в нагреве закаленной стали до температуры ниже Ас1, выдержке при заданной температуре и последующем охлаждении с определенной скоростью. Отпуск является окончательной операцией термической обработки, в результате которой сталь получает требуемые механические свойства. Кроме того, отпуск полностью или частично устраняет внутренние напряжения, возникающие при закалке. Эти напряжения снимаются тем полнее, чем выше температура отпуска.

Скорость охлаждения после отпуска также оказывает большое влияние на величину остаточных напряжений. Чем медленнее охлаждение, тем меньше остаточное напряжение. Быстрое охлаждение от 600 С создает новые тепловые напряжения. По этой причине изделия сложной формы воизбежание их коробления после отпуска при высоких температурах следует охлаждать медленно, а изделия из легированных сталей, склонных к обратимой отпускной хрупкости после отпуска при 500-600 С во всех случаях следует охлаждать быстро.

Различают низкотемпературный, среднетемпературный и высокотемпературный отпуск.

Низкий отпуск проводят с нагревом до 150-200 С, реже до 240-250 С. при этом снижаются внутренние напряжения, мартенсит закалки проводится в отпущенный мартенсит, повышается прочность и немного улучшается вязкость без заметного снижения твердости. Закаленная сталь (0.5-1.3% С) после низкого отпуска сохраняет твердость в пределах HRC 58-63, а следовательно, высокую износостойкость. Однако такое изделие не выдерживает значительных динамических нагрузок.

Низкотемпературному отпуску подвергают поэтому режущий и измерительный инструмент из углеродистых и низколегированных сталей, а также датели, претерпевшие поверхностную закалку, цементацию, цианирование или нитроцементацию. Продолжительность отпуска обычно 1-2.5 часа, а для больших сечений и измерительных инструментов назначают более длительный отпуск.

Среднетемпературный отпуск выполняют при 350-500 С и применяют главным образом для пружин и рессор, а также для штампов. Такой отпуск обеспечивает высокий предел упругости, предел выносливости и реакционную стойкость.

Структура стали (0.45-0.8% С) после среднего отпуска - троостит отпуска или троостомартенсит с твердостью HRC 40-50. Температуру отпуска надо выбирать таким образом, чтобы не вызвать необратимой отпускной зрупкости. Охлаждение после отпуска при 400-500 С следует проводить в воде, что способствует образованию на поверхности сжимающих остаточных напряжений, которые увеличивают предел выносливости пружин.

Высокотемпературный отпуск. Его проводят при 500-680 С. структура стали при высокого отпуска - сорбит отпуска.высокий отпуск создает наилучшее соотношение прочности и вязкости стали. Его проводят с целью:

1. Снижение внутреннего напряжения;

2. Снижение твердости для обдирки слитка.

Закалка с высоким отпуском по сравнению с нормализованным или отожженным состоянием одновременно повышает пределя прочности и текучемти, относительное сужение и особенно ударную вязкость. Термическую обработку, состоящую из закалки и высокого отпуска, называют улучшением. Отпуск при 550-600 С в течение 1-2 часов почти полностью снимает остаточное напряжение, возникшее при закалке. Чаще длительность высокого отпуска составляет 1-6 часов в зависимости от габаритных размеров изделий.

Для конкретной детали (распределительный вал) режимы термической обработки состоят из:

Предварительной термической обработки слитка, которая состоит из высокого отпуска, после чего производится нормализация.

Далее проводится правка детали, которая устраняет различные искажения размеров. Далее проводят цементацию, которая заключается в процессе насыщения поверхностного слоя стали углеродом. Цементация и последующая термическая обработка одновременно повышают предел выносливости. Поэтому после цементации проводится окончательная термическая обработка, которая заключается в высоком отпуске, закалке и низком отпуске.

Поверхностное упрочнение

Газовая цементация. Этот процесс осуществляют нагревом изделия в среде газов, содержащих углерод. Газовая цементация имеет ряд преимуществ по сравнению с цементацией в твердом карбюрезаторе, поэтому ее широко применяют на заводах, изготавливающих детали массовыми партиями.

В случае газовой цеменации можно получить заданную концентрацию углерода в слое; сокращается длительность процесса, так как отпадает необходимость нагрева ящиков, наполненных малотеплопроводным карбюрезатором; обеспечивается возможность полной механизации и автоматизации процесса и значительно упрощается последующая термическая обработка изделий так как можно производить закалку непосредственно из цементационной печи.

Наиболее качественный цементованный слой получается при использовании в качестве карбюризатора природного газа, состоящего почти полностью из метана и пропано-бутановых смесей, подвергнутых специальной обработке, а также жидких углеродов. Основной реакцией, обеспечивающей науглероживание при газовой цементации является диссоциация окиси углерода и метана.

Процесс ведут при 910-930 С, 6-12 часов (толщина слоя 1-1.7 мм).

В серийном производстве газовую цементацию обычно проводят в шахтных муфельных печах серии Ц. Шахтные печи серии Ц имеют рабочую температуру 950 С, единовременную загрузку 185-1100 кг, диаметр рабочего пространства 300-600 мм и высоту 600-1200мм. Изделия в печь загружают на специальных подвесках и приспособлениях, которые помещают в реторте. Необходимая для газовой цементации атмосфера создается при подаче в камеру печи жидкостей, богатых углеродом. Углеводородные соединения при высокой температуре разлагаются с образованием активного углерода и водорода.

На предприятиях с серийным масштабом производства также применяют полярные универсальные печи с герметизированной форкамерой и закалочным баком. В таких печах исключается контакт нагретых деталей с воздухом, предотвращается образование дефектов на поверхности изделий, снижающих прочность.

В крупносерийном и массовом производстве газовую цементацию проводят в безмуфельных печах непрерывного действия.

В этих установках весь цикл химико-термической обработки (цементация, закалка и низкий отпуск) механизирован и автоматизирован; производительность установок достигает 500-600 кг/ч и более. В печах непрерывного действия и камерных печах для цементации применяют эндотермическую атмосферу, в которую добавляют природный газ (92-95% эндогаза и 3-5% природного газа). Эндотермическая атмосфера получается частичным сжиганием природного газа или другого углеводорода в специальном эндотермическом генераторе при 1000-1200 С в присутствии катализатора. При небольшом содержании в эндотермической атмосфере СН4 (до 5,0%) он не участвует непосредственно в процессе насыщения углеродом, а увеличивает содержание в атмосфере СО.

В этих условиях на поверхности стали практически не выделяется сажа и сохраняется однозначная зависимость между углеродным потенциалом и содержанием Н2О и СО2 в атмосфере.

Для сокращения длительности процесса в промышленности широко используют газовую цементацию, при которой углеродный потенциал эндотермической атмосферы в начале поддерживают высоким, обеспечивающим получение в поверхностной зоне стали 1,2-1,3% С, а затем его углеродный потенциал снижают до 0,8%.

В печах непрерывного действия предусмотрены две зоны по длине печи. В первую зону, примерно соответствующую 2/3 длины печи, подают газ, состоящий из смеси природного и эндотермического газов. Во вторую зону подают только эндотермический газ, находящийся в равновесии с заданной концентрацией углерода на поверхности, обычно 0,8% С. при использовании этого метода цементации следует иметь в виду, что снижение содержания углерода в слое от 1,2-1,3% до 0,8% происходит только за счет углерода, растворенного в аустените. В случае легированной стали снижение в аустените концентрации углерода и легирующих элементов приводит к уменьшению закаливаемости и прокаливаемости цементованного слоя и в итоге к ухудшению механических свойств обрабатываемого изделия. В процессе газовой цементации в сталь может диффундировать находящийся в атмосфере кислород. Это приводит к окислению поверхностного слоя стали, обладающих большим химическим средством к кислороду по сравнению с железом. Окисление легирующих элементов («внутреннее окисление») снижает устойчивость аустенита, и при последующей закалке в цементованном слое трооститная сетка и окислы, что понижает его твердость и предел выносливости стали. Добавки и цементирующей атмосфере (в конце процесса) аммиака уменьшает вредное влияние внутреннего окисления. Скорость газовой цементации при температуре 930-950 С составляет 0,12-0,15 мм/ч при толщине слоя до 1,5-1,7 мм.



Выводы

В данной курсовой работе были изучены марки сталей инструментальная штамповая 5ХГМ, которая содержит в составе легирующие элементы хром, марганец и молибден, и конструкционную марганцовистую сталь 40Г2. Был рассмотрен фазовый состав и свойства этих сталей и режимы термической обработки. Были проанализированы диаграммы термокинетического распада аустенита, а также выбраны режимы термической обработки деталей из сталей 5ХГМ и 40Г2. Описывались детали такие как: штампы, коленчатые валы, оси, распределительные валы.



Литература

1. Попов А.А., Попова Л.Е. Справочник термиста. Изотермические и термокинетические диаграммы распада переохлаждённого аустенита. М: Металлургия 1961. - 430 с.

2. Специальные стали / Гольдштейн М.И., Грачев С.В., Векслер Ю.Г. - М: Металлургия, 1985. - 408 с.

3. Гуляев А.П. «Металловедение» Уч.для вузов, 6-е изд. перераб. и доп М: Металлургия, 1986. 544 с.

4. Лахтин Ю.M., Леонтьева В.П. Материаловедение: Учебник для высших технических учебных заведений. -- 3-е изд., перераб. и доп. --М: Машиностроение, 1990. --528 с.

...