Технология термической обработки сортового проката из легированных конструкционных сталей 40Х, 40Г2, 40ХФА

Размещено на http://www.allbest.ru/

Технология термической обработки сортового проката из легированных конструкционных сталей 40Х, 40Г2, 40ХФА

Задание

1. Химический состав сталей и значения критических точек. Диаграммы изотермического распада аустенита

2. Структура и твердость сталей после горячей прокатки

3. Назначение термической обработки проката

4. График режима термической обработки проката из этих сталей. Обоснование выбора температуры нагрева, продолжительности выдержки и скорости охлаждения

5. Фазовые и структурные превращения при термической обработке

6. Контроль показателей качества после термообработки и их значения

7. Выбор оборудования для термической обработки. Принцип формирования садки

Список используемых источников

1. Химический состав сталей и значения критических точек. Диаграммы изотермического распада аустенита

Химический состав сталей 40Х, 40Г2, 40ХФА представлен в таблице 1.

Таблица 1.1 - Химический состав сталей 40Х, 40Г2, 40ХФА [1].

Критические точки сталей 40Х, 40Г2, 40ХФА представлены в таблице 2.

Таблица 1.2 - Критические точки сталей 40Х, 40Г2, 40ХФА [1].

Диаграммы изотермического распада аустенита сталей 40Х, 40Г2, 40ХФА.

Рисунок 1.1 - Диаграмма изотермического распада стали 40Х.

Рисунок 1.2 - Диаграмма изотермического распада стали 40Г2

Рисунок 1.3 - Диаграмма изотермического распада стали 40ХФА.

2. Структура и твердость сталей после горячей прокатки

Исходной заготовкой для производства калиброванного проката является горячекатаный прокат и его пластичность во многом определяет дальнейшую способность к волочению [2, 3]. Качество горячекатаного проката оценивается соответствием нормативным требованиям его геометрических параметров, химического состава и механических характеристик. Оно также определяется структурой проката, которая, в свою очередь, зависит от способа изготовления, включая разливку стали, нагрев заготовок и горячую прокатку на прокатном стане, способа охлаждения и последующей термообработки [4]. Горячекатаный прокат должен иметь высокую степень чистоты поверхности и бездефектное поперечное сечение. Структурное состояние и качество поверхности горячекатаного проката во многом определяют дальнейшее качество калиброванного проката и изготовленных из него длинномерных болтовых изделий. Механические характеристики, являющиеся наиболее используемыми показателями качества сталей, в значительной степени определяются пластической и термической обработкой, которые изменяют структуру на макро- и микроскопическом уровне [5].

В таблице 2.1 приведены твердость исследуемых горячекатанных прокатов из стали 40Х, 40Г2, 40ХФА [6].

Микроструктура горячекатаного проката из сталей 40Х, 40Г2, 40ХФА представляет собой «перлит + феррит». На рисунке 2.1. изображена структура стали 40Х после горячей прокатки.

Рисунок 2.1 - Структура горячекатаного проката стали 40Х, х500

3. Назначение термической обработки проката

Для стали 40Х проводят нагрев под закалку с температуры 840 - 860 ^оС в масло с температуры 20 - 40 ^оС или в воде (в зависимости от сечения изделия), то есть выше Ас₃ на 45-65 ^оС (HRC 45 - 55, структура согласно ГОСТ 8233-56 соответствует троостито-мартенситной структуре), в процессе данного режима протекает бездифузионное мартенситное превращение (образование мартенсита) с выделением доли сорбита, как результат более медленного охлаждения в масло, в соответствии с рекомендуемой методикой ГОСТ 8233-56 [ссылка], при этом уменьшается пластичность с возрастанием твердости и прочности изделий (по сравнению с исходной структурой). Нагрев под закалку до температуры 840 - 860 ^оС производят в течение 1,5 ч и время выдержки в течении 0,5 ч. Высокий отпуск проводят при температуре 490 - 550 ^оС в воде или масле. Время нагрева под отпуск 40 - 60 минут (HRC 28 - 35) в течение 1-6 часов в зависимости от габаритов изделия. В процессе отпуска происходит распад мартенсита с образованием структуры сорбит отпуска, который обладает высокой прочностью и хорошей вязкостью.

Для стали 40Г2 для получения высоких прочностных свойств по всему объему изделия применяют улучшение, то есть закалку с температур 820^oC (выше А_с3 на 40 ^оС) в масле и высокий отпуск при температуре 550 - 650°С в воде. При такой обработке улучшаемая сталь имеет структуру зернистого сорбита, обеспечивающую наилучшее сочетание прочности и вязкости.

Нагрев под закалку до температуры 840 - 860 ^оС производят в течении 1 - 1,5 ч и время выдержки в течении 0,5 ч.

Высокий отпуск при температуре 550 - 650°С проводят в течение 1-6 часов в зависимости от габаритов изделия. Время нагрева под отпуск 50 - 90 минут.

Сталь 40ХФА обладает стойкостью к росту зерна, имеет высокие механические показатели. Для устранения склонности к обезуглероживанию нагрев под закалку следует проводить в контролируемой атмосфере.

Для стали 40ХФА целесообразно улучшение, т. е. закалка с последующим высоким отпуском, что дает оптимальное сочетание прочности и вязкости.

Для стали 40ХФА температура закалки составляет 880 °С в течении 1,5 ч. В качестве охлаждающей среды можно выбрать масло. Последующий отпуск назначается при температуре 550 - 570 °С в течение 1-4 часа в масле. Получаемая структура сорбита отпуска (мелкодисперсная ферритоцементитная смесь) обеспечивает высокое сопротивление малой пластической деформации при HRC= 35 - 45.

Выбранный режим нагрева должен обеспечить полное превращение исходной феррито-перлитной структуры в аустенит. Последующее охлаждение материала производится в масле, чтобы обеспечить скорость охлаждения больше, чем критическая скорость (наименьшая скорость охлаждения, при которой аустенит превращается в мартенсит, т. е. в структуру закаленной стали).

Образование в результате закалки мартенсита приведет к большим остаточным напряжениям, повышению твердости, прочности, однако резко возрастает склонность материала к хрупкому разрушению, особенно при динамических нагрузках. В связи с этим проводится окончательная операция термической обработки -- высокотемпературный отпуск, при котором снимаются остаточные напряжения и обеспечиваются необходимые механические свойства материала. [7]

4. График режима термической обработки проката из этих сталей. Обоснование выбора температуры нагрева, продолжительности выдержки и скорости охлаждения

График режима термической обработки стали 40Х представлен на рисунке 4.1.

Рисунок 4.1 - График режима термической обработки стали 40Х

сталь термический обработка

Температура 860 ^оС это оптимум для 40Х так как при этой температуре происходит превращение феррита и перлита в аустенит, резкое охлаждение которого и приводит к закалке стали (не диффузионного превращения аустенита).

Закалка с более высоких температур приводит к короблению детали, обезуглероживанию поверхности, росту зерна, а также возможно образование трещин.

Выдержку не делают длительной при закалке для того чтобы не произошел рост зерна, что может привести к пониженным прочностным свойствам.

Охлаждение делают в масле или в воде в зависимости от сечения изделия. Хромистые стали склонны к отпускной хрупкости, устранение которой требует быстрого охлаждения от температуры высокого отпуска. 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 проводится при более высоких температурах по сравнению с отпуском углеродистых сталей.

Отпуск при температуре 490 - 550 °С почти полностью снимает остаточные напряжения, возникающие при закалке и обеспечиваются необходимые механические свойства материала такие как наилучшее соотношение прочности и вязкости. Хромистые стали склонны к отпускной хрупкости, поэтому после высокого отпуска должны охлаждаться ускоренно, мелкие детали в масло, а крупные в воду. Если охлаждать в воде изделие маленького сечения, то на нём могут возникнуть трещины. Если охлаждать изделие большого сечения в масле, то оно может не закалиться на сквозь, то есть претерпеть мартенситное превращение в поверхности (без диффузии), а в сердцевине произойдет диффузионное превращение и структура в сердцевине будет состоять из перлита [7].

График режима термической обработки стали 40Г2 представлен на рисунке 4.2.

Рисунок 4.2 - График режима термической обработки стали 40Г2

Закалку проводят с температур 820^oC (выше А_с3 на 40 ^оС) для того чтобы получить структуру аустенита. Обычно закалку легированных сталей проводят выше точки А_с3 на 30 - 50 ^oC, за исключением быстрорежущих, нержавеющих и другие специальных сталей, так как такая высокая температура нагрева под закалку быстрорежущей стали необходима для того, чтобы полнее растворить избыточные карбиды и больше перевести их в твердый раствор хрома, вольфрама, ванадия и других легирующих элементов, входящих в состав стали. Так сталь 40Г2 не является такой сталью, то достаточно нагрев произвести до температуры выше критической точки А_с3 на 30 - 50 ^оС. Но если все таки нагрев сделать выше, чем нужно, то это может привести к короблению детали, обезуглероживанию поверхности, росту зерна, а также к возможности образований трещин.

Как и для стали 40Х выдержку не делают длительной чтобы не произошел рост зерна, так как это может привести к пониженным прочностным свойствам.

При высоких скоростях охлаждения (выше критической) диффузионный распад аустенита подавляется -- аустенит претерпевает только мартенситное превращение. Мартенсит представляет собой пересыщенный твердый раствор внедрения углерода в б-железе такой же концентрации, как у исходного аустенита. Как правило, при закалке не весь аустенит превращается в мартенсит, и структура закаленной стали представляет собой мартенсит и остаточный аустенит.

Принцип нагрева и выдержки под отпуск практически такой же как и для предыдущей стали.

Марганцовистая сталь отличается отпускной хрупкостью, поэтому после отпуска ее быстро охлаждают в масле. В масле - что бы снизить закалочные напряжения. [7]

График режима термической обработки стали 40ХФА представлен на рисунке 4.3.

Рисунок 4.3 - График режима термической обработки стали.

Закалку для этой стали проводят с температур 850 - 880^oC (согласно ГОСТ 4543-71) для того чтобы получить структуру аустенита. Нагревают до такой температуры чтобы образовалась однородная мелкозернистая аустенитная структура.

Выдержку не делают длительной чтобы не произошел рост зерна, так как это может привести к пониженным прочностным свойствам.

Последующее охлаждение в масле со скоростью большей, чем критическая, обеспечивает получение мелкозернистого мартенсита.

Высокий отпуск обеспечивает наилучшее соотношение прочности и вязкости. В остальном принцип отпуска схож с предыдущими сталями.[7]

5. Фазовые и структурные превращения при термической обработке

При нагреве сталей 40Х, 40Г2, 40ХФА под закалку образуется аустенитная структура. Перед образованием аустенита исходной структурой данной стали является пластинчатый перлит и феррит. В точке A_C1 начинается фазовая перекристаллизация перлита в аустенит. При дальнейшем нагреве от температур A_C1 до А_Сз избыточный феррит растворяется в аустените и при достижении температуры Ас_n (соответствует линии GSE на диаграмме состояния железо-углерод) превращения заканчиваются. Выше точки А_Сз структура стали состоит только из аустенита. Затем идет быстрое бездифузионное охлаждение в масле на мартенсит.

При высоком отпуске (улучшение) при температуре - структура сорбит. Высокие механические свойства сорбита отпуска обусловлены малыми размерами и округлой формой частиц цементита. Это обеспечивает наилучший комплекс механических свойств - максимальную ударную вязкость при высокой прочности.

После термической обработке структура этих сталей в результате закалки - мартенсит и остаточный аустенит (5 - 8 % ), твердость 30-50 HRC [7].

6. Контроль показателей качества после термообработки и их значения

Качество поверхности проверяют без применения увеличительных приборов. В случае необходимости проводят светление или травление поверхности, а для проката со специальной отделкой поверхности диаметром до 3 мм включительно осмотр проводят при увеличении до 10. Глубину залегания дефектов на поверхности проката определяют контрольной зачисткой или запиловкой. От каждого отобранного для контроля прутка, полосы или мотка отбирают:

- для испытания на растяжение (предел текучести, временное сопротивление, относительное удлинение, относительное сужение), осадку, определения глубины обезуглероженного слоя, величины зерна и прокаливаемости - по одному образцу;

- для испытания на ударный изгиб - по одному образцу каждого типа

- для контроля макроструктуры - один темплет.

Отбор проб для всех видов испытаний производят на расстоянии не менее 1,5 витка от конца раската.

Качество, поверхности проверяют без применения увеличи­тельных приборов. В случае необходимости проводят светление или травление поверхности, а для проката со специальной отделкой по­верхности диаметром до 3 мм включительно осмотр проводят при увеличении до 10 х. Глубину залегания дефектов на поверхности проката определяют контрольной зачисткой или запиловкой.

От каждого отобранного для контроля прутка, полосы или мотка отбирают:

- для испытания на растяжение (предел текучести, временное сопротивление, относительное удлинение, относительное сужение), осадку, определения глубины обезуглероженного слоя, величины зерна и прокаливаемости -- по одному образцу;

- для испытания на ударный изгиб -- по одному образцу каждого типа;

- для контроля макроструктуры -- один темплет [8].

Испытание на растяжение (предел текучести, временное сопротивление, относительное удлинение, относительное сужение) проводят по ГОСТ 1497 на круглых образцах пятикратной длины диаметром 5 или 10 мм [9].

Испытание на ударную вязкость при нормальной температуре проводят на образцах типа 1 и типа 11 по ГОСТ 9454, при температуре минус 60 °С -- на образцах типа 1 по ГОСТ 9454. Допускается проводить испытание на ударную вязкость на образцах типа 3 при толщине проката менее 10 мм. Результаты испытаний проката из хромоникельмолибденовой и хромоникельмолибденованадиевой стали на ударную вязкость на образцах типа 11 по ГОСТ 9454 заносятся в документ о качестве [10].

Допускается применять неразрушающие методы контроля по согласованной методике.

Глубину обезуглероженного слоя определяют методом М по ГОСТ 1763. По согласованию изготовителя с потребителем допуска­ется определять степень обезуглероженности калиброванного про­ката методом Т по ГОСТ 1763 [11].

Определение твердости по Бринеллю проводят по ГОСТ 9012 [12]. Количество отпечатков -- не менее трех.

Для проката, прошедшего испытания на макроструктуру, прокаливаемость, механические свойства на крупных профилях, разрешается результаты испытаний распространять на партии проката меньших профилей.

При использовании предприятием-изготовителем статистических методов контроля твердости и механических свойств в соответствии с нормативно-технической документацией, утвержденной в установленном порядке, контроль твердости и механических свойств, предусмотренных настоящим стандартом, изготовителем допускается не проводить. Изготовитель гарантирует при этом соответствие выпускаемого проката требованиям стандарта. В арбитражных случаях и при периодических проверках качества проката применяются методы контроля, предусмотренные стандартом.

7. Выбор оборудования для термической обработки. Принцип формирования садки

Для нагрева изделий большой длины широкое распространение получили шахтные печи. В них длинные изделия подвергаются нагреванию в вертикальном положении, в подвешенном состоянии -- что уменьшает риск деформации и создания внутренних напряжений.

Конструкция печи: металлический кожух цилиндрической формы, внутри которого находится нагревательная камера. Пространство между кожухом и нагревательной камерой заполняется специальным порошком, который имеет теплоизоляционные свойства.

На внутренней стенке, находятся электрические нагреватели в виде проволоки или ленты.

Внутри нагревательной камеры устанавливается нагревательный элемент (муфель) изготовленный из стали, которая имеет жаропрочность. При обработке материала внутрь печи помещают корзины (или другие приспособления) с обрабатываемыми деталями.

Сверху всё это закрывается плотной крышкой. На крышке может находится вентилятор, служащий для выравнивания состава газов. При загрузке и выгрузке печи вентилятор автоматически выключается.

Часто, печи такого типа используют для термообработки валов, роторов, крупных изделий и мелких деталей. Мелкие загружают в корзины -- а крупные подвешивают на спец креплениях поштучно. Так же шахтные печи используют для отжига листового металл, проволоки и т.д. Для того чтобы улучшить качество изделия, шахтные печи оборудуют аппаратами для создания защитной атмосферы [13].

Список используемых источников

1. Интернет ресурс (Марочник) http://metallicheckiy-portal.ru/marki_metallov

2. Филиппов, А.А. Изготовление калиброванного проката под холодную высадку крепежных изделий из стали 38ХА без обточки поверхностных дефектов / А.А.Филиппов, Г.В. Пачурин // Заготовительные производст- ва в машиностроении. 2009. №1. - С. 32-36.

3. Филиппов, А.А. Подготовка калиброванного проката стали 40Х под хо- лодную высадку высокопрочных длинномерных болтов / А.А. Филиппов, Г.В. Пачурин // Деформация и разрушение материалов и наноматериалов: материалы IV междунар. конф. - М.: ИМЕТ РАН. 2011. - С. 260-262.

4. Филиппов, А.А. Повышение качества поверхности стального проката под калибровку перед высадкой крепежных изделий / А.А. Филиппов [и др.] // Заготовительное производство. 2007. №3. - С. 51-53.

5.Кутяйкин, В.Г. Метрологические и структурно-физические аспекты дефор- мирования сталей: монография / В.Г. Кутяйкин. - М.: АСМС. 2007. -484 с.

6. ГОСТ 4543-71. Прокат из легированной конструкционной стали; введ. 1973-01-01. - Москва : Изд-во стандартов, 2001. - 41 с.

7. Новиков, И. И. Теория термической обработки металлов : учебник / И. И. Новиков. - 4-е изд., перераб. и доп. - Москва : Металлургия, 1986. - 480 с.

8. Интернет ресурс (Прокат из конструкционной легированной стали) http://works.doklad.ru/view/PqU8X_m2XBY/3.html

9. ГОСТ 1497-84. Металлы. Методы испытаний на растяжение; введ. 1986-01-01. - Москва : Изд-во стандартов, 2008. - 24 с.

10. ГОСТ 9454. Металлы. Метод испытания на ударный изгиб при пониженных, комнатной и повышенных температурах; введ. 1979-01-01. - Москва : Изд-во стандартов, 2003. - 12 с.

11. ГОСТ 1763. Сталь. Методы определения глубины обезуглероженного слоя; введ. 1990-01-07. - Москва : Изд-во стандартов, 1988. - 22 с.

12. ГОСТ 9012. Металлы. Метод измерения твердости по Бринеллю; введ. 1960-01-01. - Москва : Стандартинформ, 2007. - 40 с.

13. Интернет ресурс (Шахтные печи для термообработки) http://www.forsmi.com/metallurgiya/shahtnyie-pechi-dlya-termoobrabotki.html

Размещено на Allbest.ru