Разработка технологического процесса термической обработки стальных деталей

 

Легирующие элементы этой стали изменяют вид С-образных кривых, таким образом что она распадается на две части, образуя С-кривую до температуры~500°С и ниже С-кривую. Легированную сталь можно закаливать на воздухе или в масле, что способствует уменьшению деформации детали и возможности образования трещин. Критические точки на линиях Мн и Мк, снижаются, приводит к увеличению остаточного аустенита в структуре закаленной стали

Легирующие элементы в совокупности устанавливают следующие температуры критических точек (С): 

A1 =715°С; А3(Аст) = 773°С; Мн = 659°С; Мк = 380°С 

По сравнению с углеродистой сталью где Ac1 = 727°С, легирующие элементы стали 12ХНЗА в совокупности понижают значение критической точки Ac1. 

Прокаливаемость и закаливаемость стали 

Закаливаемость  стали – способность стали приобретать повышенную твердость при закалке. Закаливаемость стали зависит от содержания углерода, а в данной стали содержится 0,12% углерода и легирующие элементы незначительно влияют на закаливаемость, поэтому эта сталь при закалке приобретет незначительную повышенную твердость.

Прокаливаемость стали - это способность стали закаливаться на определенную глубину. Прокаливаемость стали тем выше, чем больше устойчивость переохлажденного  аустенита и меньше критическая скорость закалки. В данной стали легирующие элементы повышают устойчивость аустенита, уменьшают критическую скорость закалки и увеличивают прокаливаемость стали.

III. Выбор и обоснование последовательности операций предварительной и окончательной ТО 

Последовательность  операций термической обработки  червяка руля, изготовленного из стали 12ХН3А выглядит следующим образом.

В первую очередь  для данной детали проводят штамповку, после этого отжиг, черновую механическую обработку, следующим процессом идет цементация, закалка, после всего этого идет низкий отпуск и чистовая механическая обработка. 

Условия работы и термическая  обработка детали 

Последовательность  операций обработки червяка руля, изготовленного из стали 12ХН3А :

Штамповка - Отжиг  - механическая обработка - цементация - закалка - низкий отпуск - механическая обработка 

Отжиг — вид термической обработки металлов и сплавов, главным образом сталей и чугунов, заключающийся в нагреве до определённой температуры, выдержке и последующем, обычно медленном, охлаждении. При отжиге осуществляются процессы возврата (отдыха металлов), рекристаллизации и гомогенизации. Цели отжига — снижение твёрдости для повышения обрабатываемости, улучшение структуры и достижение большей однородности металла, снятие внутренних напряжений.

Цементация  стали — поверхностное диффузионное насыщение малоуглеродистой стали углеродом с целью повышения твёрдости, износоустойчивости. Цементации подвергают низкоуглеродистые (обычно до 0.2 % C) и легированные стали, процесс в случае использования твёрдого карбюризатора проводится при температурах 900—950 °С, при газовой цементации (газообразный карбюризатор) — при 850—900 °С.

Закалка — вид термической обработки изделий из металлов и сплавов, заключающийся в их нагреве выше критической температуры (температуры изменения типа кристаллической решетки, т.е. полиморфного превращения), с последующим быстрым охлаждением, как правило, в жидкости (масле).К нашей стали применима не полная т.к. сталь является заэвтектоидной (концентрация углерода увеличилась после цементации и его значение больше 0,8%), а в этом случае сталь нужно нагреть выше точки Ас1 на 30-50°С, в нашем случае будем нагревать деталь до t 790°С.

Отпуск — технологический процесс, заключающийся в термической обработке закалённого на мартенсит сплава или металла, при которой основными процессами являются распад мартенсита, а также полигонизация и рекристаллизация.Отпуск проводят с целью получения более высокой пластичности и снижения хрупкости материала при сохранении приемлемого уровня его прочности. Является окончательной операцией термической обработки, заключается в медленно нагреве изделия до t°С ниже Ac1, выдержке при заданной температуре с последующих охлаждением – обычно на воздухе. В результате отпуска образуется более равновесная структура, полностью или частично снимают внутренние напряжения. 
 

 
 
 
 
 
 
 
 

Выбор оборудования 

Выбор оборудования производим в соответствии с назначенными видами  и рассчитанными видами термической обработки.

Поэтому выбираем:

Для закалки  – шахтная электропечь сопротивления  типа СШО 6.12/10

 

Для низкого  отпуска – шахтная  электропечь сопротивления типа СШО 6.12/7

 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

IV. Режимы ТО

Термическая обработка, проводимая для стали 12ХН3А состоит из нескольких процессов.

Первоначально структура данной стали состоит  из феррита и перлита (см. Рис.1, раздел I)

При термической  обработке, для получения определенных, нужных нам свойств стали, будем  изменять ее структуру.

Первоначальная  ТО представляет собой отжиг. Нагреваем сталь до температуры 600˚С и выдерживаем, после охлаждаем сталь с печью.

Данный вид  ТО производят для снятия внутренних напряжений, уменьшения твердости, перекристаллизации зерна стали и выравнивания химического  состава по объему.

Окончательная ТО включает в себя 2 вида закалки  и низкий отпуск. 

 Перлит 

При первичной  закалке нагреваем сталь до температуры 860˚С, после выдерживаем 0,2- 0, 3 часа, охлаждаем после выдержки в масле.

Проводят закалку  для приобретения сталью высокой  твердости, прочности и вязкости, пластичность снижается. 

Структура при  закалке - это низкоуглеродистый  мартенсит в смеси с нижним

бейнитом (α- раствор с карбидами) 

 
 

Следующий вид  окончательной ТО – это низкий отпуск. Нагреваем сталь до температуры 180-200˚С, выдерживаем в течение 0,7-1 часа, после охлаждаем на воздухе или в масле.

Низкий отпуск повышает ударную вязкость и пластичность. Структура стали после окончательной ТО примет вид мартенсит отпуска.

 
 
 
 
 
 
 

Структура сердцевины остается такой же, как и до закалки, но несколько изменяется. Твердость поверхности детали после ТО 58…60 HRC.

Эта деталь обладает высокой поверхностной твердостью, износо стойкостью и вязкой сердцевиной 

Для получения  высокой твердости данной стали, а именно поверхностного слоя и вязкой сердцевины детали проводят цементацию, а после червяк руля подвергают закалке и низкому отпуску.

После цементации, которую проводят при Т=930˚С (для  данной стали) структура поверхностного слоя, содержащего около 1% углерода, состоит из перлита (П) и цементита (Ц)

 

В глубине цементируемой стали структура переходит в перлит (0,8%С) и в сердцевине состоит из перлита и феррита (Ф). Твердость сердцевины при цементации 25-40 НRC.

 

Данные легирующие элементы уменьшают теплопроводность стали и, поэтому, нагрев при отжиге, нормализации и закалке необходимо проводить с меньшей скоростью, чтобы избежать образования внутренних напряжений, возникающих в результате резкого перепада температур. 
 
 
 

V. Графическая часть

1) Эскиз детали червяк  руля 

Колесо  цилиндрической червячной  передачи 
 

 
 
 
 

 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

2) диаграмма Fe-Ц  
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

3) Схема термообработок 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

4) ДИПА для стали  12ХН3А, с нанесением  скоростей охлаждений: 

 

Диаграмма 1: диаграмма изотермического превращения аустенита для стали 12ХН3А        
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

5) технологическая карта для одной из ТО: 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

VI. Список использованной литературы: 

1. Седов Ю.Е., Адаскин А.М. Справочник молодого термиста. – М.: Высшая школа, 1986. – 23с.
2. Карпенков В. Ф., Баграмов Л.Г. Материаловедение. Технология конструкционных материалов.- М.:КолосС, 2006.-156с.
3. Практикум по материаловедению и технологии конструкционных материалов/В. А. Оськин, В. Н. Байкалова, В. Ф. Карпенков и др.; Под редакцией В. А. Оськина, В. Н. Байкаловой. – М.: КолосС, 2007.-318 с.
4. Ю. М. Лахтин. Металловедение и термическая обработка металлов. – М., «Металлургия», 1983. 360 с.
5. А.С. Зубченко. Марочник сталей и сплавов.