Контрольная работа по "Термообработка"

 

1. Выберите марку чугуна для изготовления ответственных деталей машин. Укажите состав, обработку, структуру и основные механические свойства.

 

Чугун – важнейший машиностроительный материал для литейного производства. Он как конструкционный материал обеспечивает возможность получения заготовок сложной формы и их низкую стоимость. Из широкого ряда свойств этого материала нужно отметить сочетание виброустойчивости с высокой теплопроводностью, а также высокую механическую прочность и хорошую износостойкость. Различают белый чугун, в котором весь углерод находится в химически связанном состоянии в виде цементита. Этот чугун твердый, хрупкий и имеет ограниченное применение.

Чугун, в котором углерод в значительной степени или полностью находится в свободном состоянии в виде графита, называется серым.

В зависимости от формы графитных включений и условий их образования различают чугуны серые, высокопрочные и ковкие.

Серый чугун с пластинчатым графитом маркируется буквами СЧ, после букв ставятся цифры, указывающие среднее значение предела прочности при растяжении, Мпа × 10-1 (кгс/мм2).

Для ответственных деталей, работающих при высоких статических (иногда динамических) нагрузках (маховики, гильзы цилиндров, блоки двигателей, крупные шестерни и т. п.), используют перлитные чугуны  СЧ30, СЧ35, СЧ40, СЧ45 Структура этих чугунов – перлит и мелкопластинчатый графит. Широкое колебание значений предела прочности объясняется размером, формой и характером распределения пластинок графита, а также размером зерен перлита. Такую структуру чугун получает в результате модифицирования.  

Высокопрочные чугуны с шаровидным графитом по ГОСТ 7293-85 маркируют буквами ВЧ и обозначают ВЧ35, ВЧ40,ВЧ50 и т.д. (цифра после букв показывает средний предел прочности при растяжении 100, 150, 240 МПа и т.д.).в автостроении, тяжелом машиностроении и других отраслях промышленности для изготовление ответственных деталей, подвергающихся значительным нагрузкам(коленчатые валы, станины прокатных станов, молотов и прессов, прокатные валки, корпуса насосов и т.д.

 Так, например, коленчатый вал легковой автомашины "Волга" изготовляют из высокопрочного чугуна следующего состава: 3,4-3,6% С; 1,8-2,2% Si; 0,96-1,2% Mn; 0,16-0,30% Cr; <0,01 % S; <0,06% P и 0,01-0,03% Mg. Низкое содержание серы и фосфора и небольшие пределы содержания других химических элементов обеспечиваются тем, что такой чугун выплавляют не в вагранке, а в электрической печи. После термической обработки механические свойства чугуна получаются весьма высокими: Ов= 620-650 МПа; §= 8-12 % и твердость НВ = 192-240.

Ковкий чугун — условное название более пластичного чугуна по сравнению с серым. Ковкий чугун никогда не куют. Отливки из ковкого чугуна получают длительным отжигом отливок из белого чугуна с перлитно-цементитной структурой. Толщина стенок отливки не должна превышать 40—50 мм. При отжиге цементит белого чугуна распадается с образованием графита хлопьевидной формы. У отливок с толщиной стенокболее 50 мм при отжиге будет образовываться нежелательный пластинчатый графит.

Ковкий чугун широко применяют в автомобильном, сельскохозяйственном и текстильном машиностроении. Из него изготовляют детали высокой прочности, способные воспринимать повторно-переменные и ударные нагрузки и работающие в условиях повышенного износа, такие как картер заднего моста, тормозные колодки, ступицы, пальцы режущих аппаратов сельскохозяйственных машин, шестерни, крючковые цепи и др. Широкое распространение ковкого чугуна, занимающего по механическим свойствам промежуточное положение между серым чугуном и сталью, обусловлено лучшими по сравнению со сталью литейными свойствами белого чугуна, что позволяет получать отливки сложной формы. Ковкий чугун характеризуется достаточно высокими антикоррозионными свойствами и хорошо работает в среде влажного воздуха, топочных газов и воды.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2 . В результате термической обработки червяки должны получить твердый износоустойчивый поверхностный слой при вязкой сердцевине. Для их изготовления выбрана сталь 18Х2Н4ВА;

-расшифруйте состав и  определите к какой группе относится данная сталь по назначению;

-назначьте режим термической  обработки, и химико-термической  обработки приведите подробное  его обоснование, объясните влияние  легирования на превращения, происходящие  на всех этапах термической  обработки;

-опишите микроструктуру  и свойства стали после термообработки.

 

 Химический состав стали 18Х2Н4ВА в % :С(0,14-0,2); Si(0.17-0.37); Mn(0.25-0.55); Ni(4-4.4); S(до 0.025); P(до 0.025); Cr(1.35-1.650; W(0.8-1.2); Cu( до 0.3).

Сталь 18Х2Н4ВА- по назначению относится к легированным конструкционным сталям. Так как легирующими элементами является хром до 1,8%, от 1 до 4,5% никеля и от 0,8 до 1,8% марганца. Вольфрам, молибден, ванадий, титан, бор и другие легирующие элементы не принимают как самостоятельные присадки, а вводят в сталь в сочетании с  хромом, никелем и марганцем для дополнительного улучшения свойств. Сталь 18Х2Н4ВА принимают для крупных высоконагруженных деталей, например зубчатые колеса, коленчатые валы, осей и т. д.

Сталь 18Х2Н4ВА - закаливают при охлаждении на воздухе, что уменьшает коробление детали. В цементованном слое хромоникелевые стали после закалки сохраняет большое количество остаточного аустенита, который снижает его твердость, сопротивление износу и предел текучести. Для уменьшении количества остаточного аустенита до закалки применяют высокий отпуск (630-6400С) или после закалки выполняют обработку холодом.

Химико-термическая обработка (ХТО) – процесс изменения химического состава, микроструктуры и свойств поверхностного слоя детали.

Изменение химического состава поверхностных слоев достигается в результате их взаимодействия с окружающей средой (твердой, жидкой, газообразной, плазменной), в которой осуществляется нагрев.

В результате изменения химического состава поверхностного слоя изменяются его фазовый состав и микроструктура.

Основными параметрами химико-термической обработки являются температура нагрева и продолжительность выдержки.

Химико-термическая обработка является основным способом поверхностного упрочнения деталей.

Основными разновидностями химико-термической обработки являются:

• цементация (насыщение поверхностного слоя углеродом);
• азотирование (насыщение поверхностного слоя азотом);
• нитроцементация или цианирование (насыщение поверхностного слоя одновременно углеродом и азотом);
• диффузионная металлизация (насыщение поверхностного слоя различными металлами).

 

 Для моего примера принимаю цементацию. 

Цементация – химико-термическая обработка, заключающаяся в диффузионном насыщении поверхностного слоя атомами углерода при нагреве до температуры 900…950 oС для получения после термообработки детали с твердой поверхностью и вязкой сердцевиной, а также с высокой износостойкостью, повышенной усталостной прочностью.

Цементации подвергают стали с низким содержанием углерода (до 0,25 %).

Нагрев изделий осуществляют в среде, легко отдающей углерод. Подобрав режимы обработки, поверхностный слой насыщают углеродом до требуемой глубины.

Глубина цементации (h) – расстояние от поверхности изделия до середины зоны, где в структуре имеются одинаковые объемы феррита и перлита ( h. = 1…2 мм).

Степень цементации – среднее содержание углерода в поверхностном слое (обычно, не более 1,2 %).

Более высокое содержание углерода приводит к образованию значительных количеств цементита вторичного, сообщающего слою повышенную хрупкость.

На практике применяют цементацию в твердом и газовом карбюризаторе (науглероживающей среде).

Участки деталей, которые не подвергаются цементации, предварительно покрываются медью (электролитическим способом) или глиняной смесью.

Микроструктура и свойства стали после термообработки. 

Структура цементованного слоя представлена на рисунке 1.

                       Рисунок 1. Структура цементованного слоя  

 

На поверхности изделия образуется слой заэвтектоидной стали, состоящий из перлита и цементита. По мере удаления от поверхности, содержание углерода снижается и следующая зона состоит только из перлита. Затем появляются зерна феррита, их количество, по мере удаления от поверхности увеличивается. И, наконец, структура становится отвечающей исходному составу. 

В результате цементации достигается только выгодное распределение углерода по сечению. Окончательно формирует свойства цементованной детали последующая термообработка. Все изделия подвергают закалке с низким отпуском. После закалки цементованное изделие приобретает высокую твердость и износостойкость, повышается предел контактной выносливости и предел выносливости при изгибе, при сохранении вязкой сердцевины.

Комплекс термической обработки зависит от материала и назначения изделия. Графики различных комплексов термической обработки представлены на рисунке 2.

            Рисунок 2. Режимы термической обработки цементованных изделий

 

Если сталь наследственно мелкозернистая или изделия неответственного назначения, то проводят однократную закалку с температуры 820…850oС (рисунке2 б). При этом обеспечивается получение высокоуглеродистого мартенсита в цементованном слое, а также частичная перекристаллизация и измельчение зерна сердцевины.

При газовой цементации изделия по окончании процесса подстуживают до этих температур, а затем проводят закалку (не требуется повторный нагрев под закалку) (рисунок 2 а).

Для удовлетворения особо высоких требований, предъявляемых к механическим свойствам цементованных деталей, применяют двойную закалку (рисунок 2 в).

Первая закалка (или нормализация) проводится с температуры 880…900oС для исправления структуры сердцевины.

Вторая закалка проводится с температуры 760…780oС для получения мелкоигольчатого мартенсита в поверхностном слое.

Завершающей операцией термической обработки всегда является низкий отпуск, проводимый при температуре 150…180oС. В результате отпуска в поверхностном слое получают структуру мартенсита отпуска, частично снимаются напряжения.

Цементации подвергают зубчатые колеса, поршневые кольца, червяки, оси, ролики.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Список используемой литературы

1 Лахтин Ю.М. «Металловедение и термическая обработка металлов» [Текст] /Ю.М Лахтин. – М.: Металлургия, 1972,-447с

2 Жадан В.Т.; Полухин П.И.; Нестеров А.Ф; Вишкарев А.Ф.; Гринберг Б.Г «Материаловедение и технология металлов» [Текст] / В.Т. Жадан; П.И Полухин; А.Ф Нестеров; А.Ф. Вишкарев; Б.Г. Гринберг-М.: Металургия, 1994.-164с.

3 Самоходский А.Н «Металловедение». Дзевульский В. М. Технология металлов и дерева. — М.: Государственное издательство сельскохозяйственной литературы. 1995.

4 Металлургия стали [Текст] / В.И. Явойский, Ю.В. Кряковский, В.П. Григорьев и др. – М.: Металлургия, 1983. – 584 с.