Термическая обработка стали 5ХГМ

Размещено на http://www.allbest.ru/

Министерство образования и науки Российской Федерации

Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования

Санкт-петербургский политехнический университет петра великого

Реферат

По дисциплине «Материаловедение»

Тема: «ответ по дисциплине «Материаловедение»

г. Санкт-Петербург, 2019 г

Химический состав.

5ХГМ - сталь инструментальная штамповая. Химический состав материала указан в таблице 1 ниже:

Таблица 1.

Основные механические свойства.

Представлены механические свойства стали 5ХГМ после закалки (до 850 oC с последующим охлаждением в масле) с отпуском в течение 2 часов при температуре 450 oC в зависимости от температуры испытаний в таблице 2 :

Таблица 2

у0,2 - условный предел текучести;

ув - предел прочности;

д - относительное удлинение;

Ш - относительное сужение;

KCU - ударная вязкость;

HRC - твердость по Роквеллу.

Классификация и структура сталей.

Сталь - сплав железа с углеродом, в котором содержание углерода находится в диапазоне от 0,02% до 2,14%.

Классифицировать стали можно по:

- Химическому составу - это углеродистые и легированные стали. Первые в свою очередь можно разбить на низкоуглеродистые до 0,25% углерода, среднеуглеродистые - 0,3-0,5%, высокоуглеродистые от 0,50 %. Легированные стали насыщены полезными примесями (марганец, кремний, хром, никель, молибден и другие), которые придают материалу определенные физические и механические свойства;

- Назначению - конструкционные (до 0,65% углерода), инструментальные и стали специального назначения;

- По металлургическому качеству - стали с определенным содержанием вредных примесей (сера, фосфор, приводящие к красноломкости и хладноломкости соответственно). В таблице 3 указаны максимально допустимые значения серы и фосфора.

Таблица 3.

- По способу производства изделий - деформируемые и литейные;

- По способу раскисления при выплавке - кипящие, спокойные, полуспокойные (кипящая сталь дает более высокий выход годного металла);

- По структуре - доэвтектоидная, эвтектоидная (около 0,8% углерода, отдают предпочтение ввиду отсутствия излишков феррита с низкой прочностью и цементита с повышенной хрупкостью) и заэвтектоидная. Разбирая эту классификацию, следует обратиться к диаграмме «Железо - углерод»;

Феррит - твердый раствор углерода в железе с ОЦК (мягкая пластичная фаза);

Аустенит - твердый раствор углерода в железе с ГЦК (более твердая фаза);

Цементит - Fe3C - неустойчивое химическое соединение (высокая твердость, плохая пластичность);

Перлит - эвтектоидная смесь феррита и цементита;

Ледебурит - эвтектическая смесь аустенита и цементита (для температур 727-1147 ОС) и феррита и цементита (для температур меньших 727ОС).

Технологические особенности.

К основным технологическим свойствам 5ХГМ относятся:

Температура ковки - 1200-800 ОС. Сечения до 100 мм охлаждаются на воздухе, 101-350мм - в яме (медленнее);

Можно обрабатывать резанием в горячекатаном состоянии при НВ = 207 и ув = 900 МПа (Ku тв.спл. = 0.6, Ku б.ст. = 0.3).

К сожалению, сталь не применяется для сварных конструкций, склонна к отпускной хрупкости и поражению флокенами (водородом в стали).

Такое содержание углерода позволяет получить достаточно высокую ударную вязкость; хром повышает прочность и увеличивает прокаливаемость сталей. Марганец вводят в эти стали с целью повышения вязкости и улучшения прокаливаемости. Молибден повышают твердость и теплостойкость, уменьшают хрупкость, измельчают зерно и уменьшают склонность стали к перегреву.

Характерна глубокая прокаливаемость - прокаливаются в сечениях до 200-300 мм. сталь закалка вязкость термообработка

Термическая обработка и влияние легирующих элементов.

Основная цель термической обработки - изменение структуры металла для получения заданных свойств. Достигается это нагревом до определенной температуры и последующим охлаждением. Режимы термической обработки характеризуются следующими параметрами: максимальная температура нагрева, время выдержки сплава при температуре нагрева, скорость нагрева и скорость охлаждения.

Отжиг - термическая обработка, приводящая металл в более устойчивое состояние заключающаяся в нагреве металла, выдержке при определенной температуре и последующем медленном охлаждении этого металла, который в результате какой-то предшествующей обработки получил неустойчивое состояние.

Отжиг делят на: - отжиг первого рода - сплав не имеет фазовых превращений. Рассматривая углеродистые стали, различают 3 типа этого отжига: гомогенизационный (он же диффузионный - для создания однородности строения и распределения основных элементов в составе стали, выдержка в течение 10-20 часов при температурах 1000-2000 ОС), рекристаллизационный (устранение наклепа, 600-720 ОС) и отжиг для уменьшения внутренних напряжений (150-650 ОС);

- отжиг второго рода основан на использовании фазовых превращений сплавов и состоит в нагреве выше температуры превращения с последующим медленным охлаждением. Он также делится: полный отжиг (для исправления структуры доэвтектоидных сталей - получения мелкого зерна, температура выше А3 на 30-50 ОС; неполный отжиг (больше применим для заэвтектоидных сталей для упрощения обработки резанием, на 30-50 ОС выше А1); изотермический (А3 + 30-50 ОС и последующее ускоренное охлаждение до температуры ниже на 50 ОС чем А1 , выдерживают до полного превращения аустенита в перлит, а затем охлаждают на спокойном воздухе - более однородная структура, применяется для легированных сталей); нормализация (выше А3 на 50 ОС с последующим охлаждением на воздухе - более тонкое строение эвтектоида, уменьшение напряжений, более равномерная структура для заэвтектоидных сталей).

Закалка - термическая операция, состоящая в нагреве закаленного сплава выше температуры превращения с последующим достаточно быстрым охлаждением для получения структурно неустойчивого состояния сплава. Для сталей обычно применяют закалку с полиморфным превращением - термическая обработка, при которой происходит преимущественно мартенситное превращение. Кристаллическая структура мартенсита тетрагональна, элементарная ячейка имеет форму прямоугольного параллелепипеда, атомы железа расположены в вершинах и центре ячейки, атомы углерода в объёме ячеек. Структура неравновесна, и в ней есть большие внутренние напряжения, что в значительной степени определяет высокую твёрдость и прочность сталей с мартенситной структурой.

Типы закалок:

Непрерывная закалка - деталь после нагрева помещают в закалочную среду (вода, масло) и оставляют в ней до полного охлаждения. Применяется для несложных изделий из углеродистых и легированных сталей.

Закалка в двух средах - осуществляется в разных температурных интервалах с разной скоростью охлаждения. Вначале в воде до 750-400 ОС, затем в масле, где более замедленное охлаждение, приводящее к уменьшению возникновению трещин и напряжений при закалке. Чаще используют для высокоуглеродистой стали.

Ступенчатая закалка - охлаждение в закалочной среде, имеющей температуру более высокую, чем мартенситная точка данной стали, и выдержка дают равномерное распределение температуры закалочной ванны по всему сечению детали. Далее медленное охлаждение и превращение аустенита в мартенсит. Обеспечивает закалку с минимальными внутренними напряжениями для углеродистых и низколегированных сталей.

Изотермическая - нагретую деталь переносят в ванну с расплавленными солями, имеющую температуру на 50-100 ОС выше мартенситной точки, выдерживают до полного перехода аустенита в бейнит (высокая твердость, но хуже пластичность). Из достоинств можно выделить минимальные напряжения, отсутствие образование трещин и незначительные деформации.

Обработка холодом - подходит для легированных сталей, у которых температура окончания мартенситного превращения заметно ниже 0 ОС (от -40 до - 196ОС).

Существует еще закалка без полиморфного превращения, применимая к алюминиевым, магниевым, никелевым, медным и другим сплавам, суть которой заключается в быстром охлаждении пересыщенного твердого раствора, не успевшего выделить растворенную фазу.

Стоит упомянуть термин прокаливаемость - способность стали получать закаленный слой на ту или иную глубину с неравновесной структурой.

Отпуск - нагрев закаленных сталей до температур, не превышающих А1, в результате чего уменьшаются внутренние напряжения и хрупкость, повышаются вязкость и пластичность. Основан на процессах распада мартенсита и остаточного аустенита. В зависимости от температурного режима делят на высокий (500-680 ОС), средний (250-500 ОС) и низкий (до 250 ОС).

Влияние углерода и легирующих элементов.

С ростом содержания углерода увеличивается твердость, прочность (только в интервале доэвтектоидных сталей), но уменьшается вязкость и пластичность стали.

Марганец (Г) - полезная примесь, вводится в стали до 1,5 % в качестве раскислителя. Уменьшает вредное влияние серы и кислорода, снижает риск красноломкости, положительно влияет на ковкость и свариваемость сталей. Расширяет аустенитную область диаграммы состояния.

Кремний (С) - также является раскислителем (до 2 %), при небольших концентрациях повышает прочность, не снижая пластичность. Повышает износостойкость, порог хладноломкости.

Хром (Х) - полезная примесь, повышает способность сталей к термическому упрочнению, стойкость к коррозии и окислению и значительно износостойкость.

Никель (Н) - дает прирост в прочности, вязкости и усталостной прочности. Часто его заменяют марганцем.

Молибден (М) - повышает прочность при термической обработке, износостойкость, сопротивление коррозии, уменьшают отпускную хрупкость (как и вольфрам (В)).

Бор (Р) - вводят в микродозах для увеличения прокаливаемости.

Кобальт (К) - увеличивает прочность, твердость, закаливаемость и эффект других элементов, входящих в состав стали.

(влияние легирующих элементов на феррит)

Сера - вредная примесь, уменьшает прочность стали и создает трудности при обработке при высоких температурах (красноломкость).

Фосфор - в большинстве случаев - вредная примесь, дает прирост в прочности, но снижает вязкость по мере понижения температуры (хладноломкость).

Газы - тоже вредные примеси (кислород, азот, водород) - проявляют снижение пластичности и склонность стали к хрупкому разрушению.

Термическая обработка 5ХГМ.

Термообработка должна обеспечивать максимальную вязкость. В недостаточно вязкой (пластичной) стали, например, в плохо отпущенной, местный нагрев может привести к образованию трещин.

Термическая обработка идентична обработке стали 5ХНМ.

Поковки большого размера (на одной из плоскостей которых вырезается фигура) из 5ХГМ после ковки отжигают по изотермическому режиму (аустенизация около 850 ОС, охлаждение до 600 ОС, выдержка до окончания распада аустенита). О правильном отжиге будет говорить твердость по Бриннелю (отпечаток около 4 мм).

Ввиду больших размеров изделия, операции закалки и отпуска сложные и ответственные.

Нагрев для закалки проводят на 20--40°С выше точки Ас3, что видно из табл. Кубики следует загружать в закалочную печь, нагретую до температуры не выше 650° С. После выдержки в течение 1 - 2 ч, температура в печи после нескольких часов поднимается до заданной, затем вновь следует выдержка продолжительностью несколько часов (для кубиков высотой менее 400 мм возможна посадка их прямо в печь, разогретую до температуры закалки). Скорость подъема температуры и время выдержки зависят от размера штампа, его конфигурации, количества штампов в печи и конструкции печи (электрическая или газовая печь). Например, штамп размером 250Ч400Ч500 мм должен нагреваться с печью от 650 до 850°С в течение 7-8 ч и при 850° С необходимая выдержка 1,5-2 ч. Если штамп имеет длину вдвое больше (500Ч800Ч1000), то время подъема температуры возрастает до 20 ч, а время выдержки до 4-5 ч.

При таких значительных выдержках при высоких температурах должны быть приняты специальные меры, предохраняющие поверхность штампа от окисления и обезуглероживания (применяют специальные засыпки и обмазки). Штампы охлаждают в масле. Лучшие результаты дает ступенчатая закалка.

Сразу же после закалки, как только штамп охладился до 100--150°С, его переносят в печь для отпуска.

Температура отпуска и твердость молотовых штампов из стали 5ХГМ

Кроме общего отпуска, хвостовик штампа дополнительно отпускают при более высокой (выше примерно на 100° С) температуре, чтобы его твердость была ниже, чем твердость рабочей части.

Применение стали 5ХГМ.

Для обработки металлов давлением применяют инструменты -- штампы, пуансоны, ролики, валики и т. д., деформирующие металл. Стали, применяемые для изготовления инструмента такого рода, называют штамповыми сталями, в частности - 5ХНМ, 5ХГМ, 5ХВН, деформирующие металл в горячем состоянии.

Они имеют повышенную вязкость, и из них делают: молотовые штампы паровоздушных и пневматических молотов с массой падающих частей свыше 3 т, прессовые штампы и штампы машинной скоростной штамповки при горячем деформировании легких цветных сплавов, блоки матриц для вставок горизонтально-ковочных машин.

Список использованной литературы

1. Гуляев А.П., «Металловедение», учебник для вузов, 6 изд., М: Металлургия, 1986 г., 544 с.

2. Зубченко А.С., «Марочник сталей и сплавов», М: Машиностроение, 2003г., 784 с.

3. Кушнер В.С., «Материаловедение», М: Металлрургия, 2008г., 203 с.

Размещено на Allbest.ru