2015-06-05
9052
Цель работы: изучить основные этапы термической обработки конструкционных материалов для получения требуемых эксплуатационных свойств различных деталей (инструмента).
Задание: проанализировать свойства сталей и режимы термообработки различных деталей и инструмента, учитывая условия их работы и требования, предъявляемые к ним (валы, шестерни, пружины, режущий и мерительный инструмент и т.д.).
1. ОБЩИЕ ПОЛОЖЕНИЯ
Для выполнения работы студент должен изучить виды и режимы термообработки, равновесные и неравновесные микроструктуры сталей, которые получаются после различных видов термообработки, свойства сталей, имеющих такие структуры.
Студент должен знать:
– дефекты структуры заготовок (отливок и поковок) и способы исправления дефектов структуры в процессе предварительной ТО;
– виды окончательной ТО и ХТО;
– равновесные и неравновесные структуры стали после ТО и их свойства;
– выбор и обоснование режимов ТО или ХТО;
– виды контроля термообработанных деталей.
|
|
|
2. ПОРЯДОК ВЫПОЛНЕНИЯ РАБОТЫ
2.1. Составить схему технологии изготовления детали.
2.2. Определить виды предварительной и окончательной ТО в процессе изготовления детали.
2.3. Разработать режим окончательной термообработки детали, исходя из конкретной марки стали и требуемых эксплуатационных свойств различных детали.
2.4. Зарисовать схемы структур стали при нагреве и при охлаждении, указать свойства окончательной структуры детали после ТО.
2.5. Наметить виды контроля термообработанной детали.
2.6. Оформить отчет. Отчет должен включать марку и характеристику требуемых свойств материала детали, схему технологии изготовления детали, виды и режимы ТО, схемы структур с их характеристикой, виды контроля термообработанной детали.
2.7. Решить задачу по выбору марки материала и вида термообработки детали.
3. МЕТОДИКА РАЗРАБОТКИ ПРОЦЕССА ТЕРМООБРАБОТКИ ДЕТАЛИ
Термическая обработка является одной из важнейших технологических операций в общей технологии изготовления деталей или инструментов, т.к. она формирует структуру и свойства, т.е. обеспечивает надежность, долговечность и работоспособность деталей.
Многие детали и инструмент в процессе их изготовления подвергаются термообработке несколько раз.
Все виды термообработки условно делят на две группы: предварительную и окончательную.
3.1. Предварительная термообработка.
Предварительной термической обработке обычно подвергаются заготовки: поковки, отливки, прокат и др. К предварительным видам термообработки относят отжиг и нормализацию, проводятся эти операции обычно в термических отделениях кузнечных, литейных, прокатных цехов.
|
|
|
Отжиг или нормализация проводятся обычно для смягчения стали (HCR<30) перед обработкой резанием, для снятия внутренних напряжений, которые всегда имеются в поковках и отливках и могут являться причиной коробления и образования трещин. Кроме того, отжиг и нормализация заготовок проводятся с целью исправления дефектов структуры отливок и поковок.
В заготовках чаще всего возникают следующие дефекты структуры:
А) Видманштедтова игольчатая структура в отливках. Она свидетельствует о перегреве и резко снижает значение ударной вязкости.
Б) Крупнозернистая структура в поковках также снижает ударную вязкость металла.
В) У заэвтектоидных сталей может возникнуть хрупкая цементитная сетка вокруг зерен, которая ухудшает обрабатываемость резанием и делает сталь хрупкой.
Г) Реже в отливках, чаще в поковках, особенно из легированных сталей, могут возникать метастабильные структуры (сорбит, троостит, игольчатый троостит, бейнит) с твердостью выше HRC 30. Поковка с такой твердостью плохо обрабатывается резанием.
Обычно предварительная термообработка одинарна, т.е. отжиг или нормализация, но нередко проводят двойную термообработку. Так отливки для устранения в них ликвации могут подвергать длительному высокотемпературному диффузионному отжигу, который может привести к росту зерна. Для исправления крупнозернистой структуры необходимо дополнительно провести полный отжиг или нормализацию.
3.2. Окончательная термообработка.
Определенные эксплуатационные свойства детали определяются как материалом, из которого изготовлена деталь, так и структурой этого материала, которая получается в результате окончательной термообработки. Окончательная термообработка проводится после основной механической обработки (точение, фрезерование, сверление и т.д.) После окончательной термообработки проводятся обычно только доводочные операции механической обработки (шлифование, полирование и т.д.)
К основным видам окончательной термообработки относятся закалка и отпуск.
Детали, работающие на истирание (износ), требуют высокой твердости только поверхностных слоев. Как правило, их упрочняют различными видами поверхностной закалки (с нагревом ТВЧ, в электролите, газопламенными горелками и т.д.) или химико-термической обработкой (цементация, нитроцементация, азотирование, диффузионная металлизация).
Окончательная термообработка может быть одинарна (азотирование), но чаще состоит из двух и более термических операций (цементация + закалка + низкотемпературный отпуск).
Технические условия должны быть указаны согласно правилам ЕСКД на приведенном эскизе детали. Нанесение на чертежах обозначений покрытий, термической и других видов обработки установлены по ГОСТ 2.310-68 (СТ СЭВ 367-76).
3.3. Разработка режимов термообработки
Любой процесс термообработки состоит из нагрева детали до определенной температуры, выдержке при данной температуре и охлаждения детали. Расчетными элементами являются: температура нагрева, время выдержки и время (или способ) охлаждения.
Температура нагрева для сталей выбирается на основания диаграммы состояния железо-углерод, либо справочной литературы.
Время выдержки выбирается в зависимости от вида обработки и от условной толщины детали (например, время выдержки деталей в электропечах при температуре закалки толщиной в 20 мм – 20 мин, 100 мм – 100 мин). Продолжительность низкого отпуска чаще всего составляет 0,5-2 часа в зависимости от сечения детали, увеличивается до 10-15 часов, если температура низкого отпуска 1000-2000. Продолжительность среднего и высокого отпуска обычно составляет от 1 до 2 часов для деталей небольшого сечения и от 3 до 6 часов для деталей массой от 200 до 1000 кг.
|
|
|
Время (или способ) охлаждения выбирается в зависимости от вида термообработки.
Если сталь, из которой изготовлена деталь, подвержена отпускной хрупкости 2-го рода, то после высокого отпуска, особенно массивные детали, следует охлаждать ускоренно: в масле или даже в воде.
3.4. Контроль качества изделий после термической обработки.
На чертеже заготовки детали, которая подвергается термической обработке, указываются свойства, которые должна иметь деталь после этой обработки. Чаще всего производится контроль твердости металлографический анализ структуры, если это предусмотрено чертежом, и контроль геометрии детали.
Контроль твердости осуществляется методом Бринеля (поковки и отливки), методом Роквелла (готовые изделия).
Контроль структуры термообработанной стали проводятся на образцах–свидетелях или на одной детали. Может контролироваться глубина и структура слоя после ХТО, слой после закалки ТВЧ, величина зерна.
Контроль геометрии деталей после термической обработки, особенно после объемной закалки, детали сложной конфигурации, длинные осевые и кольцеобразные детали или с помощью щупов на плите, либо индикатором замеряют биение в центрах.
В случае, если коробление выше отпусков, указанных на чертеже, предусматривают рихтовку, т.е. правку деталей, или заранее предусматривают технологические припуски на механическую обработку для восстановления геометрии.
| Изготовление деталей (литье, ковка, штамповка) |
| Механическая обработка заготовки: точение, фрезерование и пр. |
| Конец |
| Начало |
| Окончательная механическая обработка (шлифование, полирование) |
| Окончательная термическая обработка |
| Предварительная термическая обработка |
Рис. 4.1. Схема технологии изготовления детали.
КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ
Таблица 4.1
| № п/п | Вопросы | Ответы на страницах | ||
| 1* | 2* | 3* | ||
| Как влияет величина зерна на sв, s0,2, d, y, KCU, KCT, Kc1 и t50? | – | |||
| Как получить мелкое зерно аустенита? | – | 159-161 | 172-174 | |
| Чем отличается механизм перлитного превращения от промежуточного и мартенситного? | 107-110 | 170-178 | 178-187 | |
| Чем отличается по структуре и свойствам перлит от сорбита и троостита? Как получить эти структуры? | 107-110 | 178-179 | ||
| Перечислите основные процессы, происходящие при первом, втором и третьем превращениях при отпуске. Как влияют на отпуск легирующие элементы? | – | 183-189 | 188-191 | |
| Сталь, содержащая 0,4% С, 1,5% Cr и 2% Ni, была закалена и подвергнута отпуску при 5500С. Какое охлаждение должно быть после отпуска для получения высоких значений KCU и KCT? | – | 187-189 | – | |
| Какие причины вызывают необратимую и обратимую хрупкость? | – | 188-189 | 205-206 | |
| Почему с повышением температуры отпуска снижаются временное сопротивление (sв), предел текучести (s0,2) и повышается пластичность (d, y)? | 114-117 | – | ||
| Установите температуру полного отжига стали, содержащей 0,3% С и 0,6% С. Каково назначение отжига? | 110-112 | 195-196 | ||
| Какую сталь нужно при отжиге охлаждать медленнее – углеродистую или легированную? Почему? | 110-112 | |||
| В каких случаях рекомендуется процесс нормализации? | 112-113 | 199-200 | ||
| Установите режим закалки стали, содержащей 0,4% С и 1,0% С (температура аустенизации, время нагрева, среда нагрева, охлаждающая среда). | 113-114 | 201-205 | 195-198 |
| Как влияет температура аустенизации на устойчивость переохлажденного аустенита, закаливаемость и прокаливаемость стали? | – | 206-212 | 196-198 | |
| Какая сталь прокаливается на большую глубину: 1) 0,45% С; 2) 0,45% С и 1,0% Cr; 3) 0,45% С, 1,0% Cr, 2% Ni и 0,4% Mo? Почему? | – | 206-210 | – | |
| Тонкая фреза из стали, содержащей 1,0% C, испытывает коробление при закалке в воде. Какой метод закалки следует применить, чтобы избежать коробления? | – | 210-211 | – | |
| Какую структуру должна иметь сталь после изотермической закалки для обеспечения высокой конструктивной прочности? | – | 214-215 | ||
| Для каких деталей рекомендуется поверхностная закалка при индукционном и лазерном нагреве? | – | 220-227 | ||
| Почему после поверхностной закалки повышается предел выносливости? | – | – | ||
| Установите режим отпуска для резца из стали, содержащей 1,0% C, и шатуна из стали с 0,45% С. | – | 215-217 | 203-205 | |
| Чем отличается ХТО от ТО? | 120-122 | 228-231 | 170-171 | |
| Какая ТО и зачем проводится после цементации и нитроцементации? | 123-126 | 236-237 | – |
Примечание:
|
|
|
1.* Материаловедение и технология металлов: учебник для вузов / Г. П. Фетисов [и др.]; под ред. Г. П. Фетисова. - 2-е изд., испр. - М.: Высш. шк., 2002. - 638 с.
2.* Лахтин, Ю. М. Материаловедение: учебник для втузов / Ю. М. Лахтин, В. П. Леонтьева. - 3-е изд., перераб. и доп. - М.: Машиностроение, 1990. - 527 с.: ил.
3.* Технология металлов и материаловедение: учебник для вузов и техникумов / Б. В. Кнорозов [и др.]; под ред. Л. Ф. Усовой. – М.: Металлургия, 1987. - 800 с.
ВАРИАНТЫ ЗАДАНИЙ
Таблица 4.2
| № варианта | Деталь | Марка стали |
| Цилиндр быстроходного напряженного двигателя | 30Х2МЮА | |
| Цилиндр компрессора | 20Л | |
| Поршень парового цилиндра насоса | 25Л | |
| Палец поршневой | 15ХМ | |
| Палец поршневой | 12ХН3А | |
| Палец | ||
| Вал редуктора | ||
| Вал быстроходного двигателя | 30ХМА | |
| Вал зубчатого колеса | 30ХН3МА | |
| Вал центробежного насоса для агрессивной среды | 40Х13 | |
| Шестерня коленчатого вала | 40ХН | |
| Шестерня коленчатого быстроходного вала | 12ХН3А | |
| Коленчатый вал судового двигателя | 40Г | |
| Палец поршневой | 18Х2Н4МА | |
| Коленчатый вал быстроходного дизеля повышенной мощности | 38Х2МЮА | |
| Распределительный вал | 20ХН3А | |
| Впускной клапан | 45ХН | |
| Выпускной клапан форсированного двигателя | 12Х18Н9Т |
4. ЗАДАЧИ ПО ВЫБОРУ МАТЕРИАЛА И РЕЖИМА ТО ДЛЯ КОНКРЕТНОГО НАЗНАЧЕНИЯ
1. Какой необходимо выбрать материал для поршневых пальцев Æ 30 мм ДВС при условии: s0,2 ≥ 400 МПа, KCU ≥ 50 Дж/см2, HRC 60-62.
Ответ: 1) сталь 15Х, Ц + З + О/2000С;
2) сталь 45, З/8300С + О/6000С;
3) сталь 12ХН3А, Ц + З + О/1800С;
4) сталь 30ХГТ, Ц/9300С + З/8500С + О/2000С.
2. Какой необходимо выбрать материал для распределительного вала Æ 40 мм ДВС при условии: s0,2 ≥ 500 МПа, d ≥ 20%, твердость на поверхности кулачков HRC ≥ 50.
Ответ: 1) сталь 20Х, Ц + З/8000С + О/2000С;
2) сталь 40Г, З/8400С + О/5500С + ТВЧ кулачков + О/1800С;
3) сталь 45ХМ, ЗМ + О/5800С.
3. Выберете материал шестерни с толщиной зуба 12 мм и ТО при условии: твердость зубьев шестерни HRC ≥ 50, по сечению ножки зуба s0,2 ≥ 600 МПа, d ≥ 20%, KCU ≥ 50 Дж/см2.
Ответ: 1) сталь 20ХР, Ц + З1/8800С + З2/8000С + О/2000С;
2) сталь 40Х, З/8500С,М + О/2000С,М;
3) сталь 40ХГ, З/8400С,М + О/5600С,М;
4) сталь 45, З/8300С,В + О/5200С.
4. Какую сталь и ТО следует выбрать для изготовления тяжелонагру-женных валов Æ 50 мм.
Ответ: 1) сталь 40Г2, закалка с охлаждением в растворе соды, отпуск на твердость HRC 35;
2) сталь 50Х, закалка в воде, отпуск на твердость HRC 35;
3) сталь 40ХМ, закалка в масле, отпуск на HRC 34-36.
5. Какую сталь и ТО следует выбрать для изготовления шестерен коробки скоростей, которые имеют толщину зуба 6 мм и должны иметь твердость поверхностного слоя глубиной ~ 1,0 мм HRC 59-61 и s432 ≥ 800 МПа.
Ответ: 1) сталь 30ХГТ, Ц + ЗМ + О/2000С;
2) сталь 40ХГТР, З/8500С,М + О/5000С,М;
3) сталь 55Г, ТВЧ + НО;
4) сталь 55Г, ТВЧ + самоотпуск/1800С;
6. Какую сталь и ТО следует использовать для изготовления шатунов сечением 15х60 мм при условии: sв ≥ 1000 МПа, s0,2 ≥ 700 МПа, d ≥ 10%, KCU ≥ 60 Дж/см2.
Ответ: 1) сталь 45, З/8300С,В + О/6000С;
2) сталь 40ХР, З/8400С,М + О/5400С,М;
3) сталь 45ХНМА, З/8500С,М + О/5200С,М.
7. Какую сталь и ТО следует использовать для изготовления валов Æ 70 мм при условии: s0,2 ≥ 800 МПа, KCU ≥ 70 Дж/см2.
Ответ: 1) сталь 20ХГНР, Ц/9300С + З/8400С,М + О/2000С;
2) сталь 40ХНМА, З/8500С,М + О/5200С,М;
3) сталь 30ХГС, З/8700С + О/5500С,М;
4) сталь 18Х2Н4ВА, З/9000С,М + О/6500С.
8. Какую сталь и ТО следует использовать для изготовления турбинного вала Æ 300 мм при условии: s0,2 ≥ 700 МПа, d ≥ 10%, KCU ≥ 50 Дж/см2.
Ответ: 1) сталь 18Х2Н4МА, З/9000С,М + О/1700С;
2) сталь 34Н3М, З/8600С,М + О/6000С;
3) сталь 30ХГС, З/8700С + О/5500С,М.
9. Иглы форсунок и детали распылителей должны обладать минимальным износом в процессе работы, что определяет качество распыла топлива при сжигании. Какую сталь и ТО следует использовать для изготовления, чтобы обеспечить требуемые свойства.
Ответ: 1) сталь У10, З + НО;
2) сталь 12ХНЗА, Ц + З + НО;
3) сталь 38ХМЮА, З + НО;
4) сталь 38ХМЮА, низкотемпературное азотирование.
10. Какую сталь и ТО следует использовать для изготовления кулачковых валиков Æ 25 мм при условии: s0,2 ≥ 400 МПа, KCU ≥ 40 Дж/см2, HRC ≥ 50.
Ответ: 1) сталь 20, поверхностная закалка;
2) сталь 45, поверхностная закалка;
3) сталь 20, Ц + З + НО.
11. Какая ТО и твердость являются оптимальными для деталей типа рессор и пружин.
Ответ: 1) З + О на HRC 60-63;
2) З + НО на HRC 58-60;
3) З + СО на HRC 39-44.
12. Какой материал и ТО следует использовать для изготовления болтов фланцевых соединений трубопроводов высокого давления сечением Æ 20 мм при условии: s0,2 ≥ 600 МПа, y ≥ 40%.
Ответ: 1) сталь 40ХГР, ЗМ + О/5400С,М;
2) сталь 30ХМ, ЗМ + О/5400С,М;
3) сталь 40, ЗВ + О/6000С.
13. Какой материал и ТО можно использовать для изготовления деталей рулевых тяг Æ 20 мм, которые должны иметь: s0,2 ≥ 700 МПа, KCU ≥ 60 Дж/см2.
Ответ: 1) сталь 18ХГТ, Ц + З,М + О/2000С;
2) сталь 40ХР, З,М + О/5400С,М;
3) сталь 30ХНМ, З,М + О/5400С.
14. Какую сталь и ТО следует использовать для изготовления метчиков и лерок, применяемых при ручном способе нарезания резьбы.
Ответ: 1) сталь Р18, З/12800С,М + трехкратный О/5600С;
2) сталь Х12, З/10500С,М + О/1700С;
3) сталь У12А, З/7800С,В + О/1700С.
15. Для изготовления машинных метчиков Æ 20-30 мм используется быстрорежущая сталь Р18. Каков оптимальный режим ТО инструмента из этой стали?
Ответ: 1) З/12800С,В + НО/1200С;
2) З/12800С,М + О/5600С;
3) З/12800С,М + трехкратный О/5600С.
ЛИТЕРАТУРА
1. Солнцев, Ю. П. Материаловедение: учебник для вузов / Ю. П. Солнцев, Е. И. Пряхин; под ред. Ю. П. Солнцева. - 3-е изд., перераб. и доп. - СПб.: Химиздат, 2004. - 736 с.: ил.
2. Материаловедение и технология металлов: учебник для вузов / Г. П. Фетисов [и др.]; под ред. Г. П. Фетисова. - 2-е изд., испр. - М.: Высш. шк., 2002. - 638 с.
3. Колесов, С. Н. Материаловедение и технология конструкционных материалов: учебник для вузов / С. Н. Колесов, И. С. Колесов. - М.: Высш. шк., 2004. - 518, [1] с.
4. Материаловедение: учебник для втузов / Б. Н. Арзамасов, В. И. Макаров, Г. Г. Мухин и др.; под общ. ред. Б. Н. Арзамасова, Г. Г. Мухина. – 3-е изд., перераб. и доп. – М.: МГТУ им. Н. Э. Баумана, 2001. – 648 с.: ил.
5. Технология металлов и материаловедение: учебник для вузов и техникумов / Б. В. Кнорозов [и др.]; под ред. Л. Ф. Усовой. – М.: Металлургия, 1987. - 800 с.
6. Технология конструкционных материалов: учебное пособие для вузов / под ред. А. М. Дальского. – 2-е изд. перераб. и доп. / М.: Машиностроение, 1990. – 352 с.: ил.
7. Лахтин, Ю. М. Материаловедение: учебник для втузов / Ю. М. Лахтин, В. П. Леонтьева. - 3-е изд., перераб. и доп. - М.: Машиностроение, 1990. - 527 с.: ил.
8. Марочник сталей и сплавов / В. Г. Сорокин [и др.]; под ред. В. Г. Сорокина. – М.: Машиностроение, 1989. – 639 с.
9. Справочник металлиста. В 5 т. Т. 3 / под ред. А. Н. Малова. – М.: Машиностроение, 1977.
10. Гапонкин, В. А. Обработка резанием, металлорежущий инструмент и станки: учебник для техникумов / В. А. Гапонкин [и др.]. – М.: Машиностроение, 1990. – 448 с.: ил.
11. Зайцев, Б. Г. Справочник молодого токаря. – М.:
Высшая школа, 1988. – 336 с.: ил.
12. Сидоренко, С. М. Методы контроля качества изделий в машиностроении. – М.: Машиностроение, 1989. – 288 с.: ил.
13. Улиг, Г. Г. Коррозия и борьба с ней. Введение в коррозионную науку и технику: пер. с англ. / Г. Г. Улиг, Р.У. Реви; под. ред. А. М. Сухотина. – Л.: Химия. –1989. – 456 с.: ил.
14. Блинов, И.С. Справочник технолога механосборочного цеха судоремонтного завода. – 5-е изд., перераб. и доп. – М.: Транспорт, 1979. – 704 с.: ил.
15. Технология судостроительных материалов: учебное пособие. / В. И. Васильев, А. Д. Гармашев, А. Д. Озерский и др. – Л.: Судостроение, 1990. – 312 с.: ил.
16. Палей, М.А. Допуски и посадки: справ.: В 2 ч. Ч.1 / М. А. Палей, А. Б. Романов, В. А. Брагинский. - 7-е изд., перераб. и доп. - Л.: Политехника, 1991. - 576 с.: ил.
17. Палей, М.А. Допуски и посадки: справ.: В 2 ч. Ч.2 / М. А. Палей, А. Б. Романов, В. А. Брагинский. - 7-е изд., перераб. и доп. - Л.: Политехника, 1991. - 607 с.: ил.
18. Правила классификации и постройки морских судов. В 2 т. Т. 1 / Рос. мор. регистр судоходства. – СПб.: Рос. мор. регистр судоходства, 2007. – 502 с.
19. Правила классификации и постройки морских судов. В 2 т. Т. 2 / Рос. мор. регистр судоходства. – СПб.: Рос. мор. регистр судоходства, 2007. – 680 с.
20. Методические указания, разработанные кафедрой.
