termoobr
.pdfМИНИСТЕРСТВО СЕЛЬСКОГО ХОЗЯЙСТВА РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ
ДЕПАРТАМЕНТ НАУЧНО-ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЙ ПОЛИТИКИ И ОБРАЗОВАНИЯ
ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ
УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ
«ЧЕЛЯБИНСКАЯ ГОСУДАРСТВЕННАЯ
АГРОИНЖЕНЕРНАЯ АКАДЕМИЯ»
Кафедра «Технология металлов»
Утверждаю Проректор по УР К.Сазонов
МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ К ВЫПОЛНЕНИЮ ДОМАШНЕГО ЗАДАНИЯ ПО ТЕМЕ «ТЕХНОЛОГИЯ ТЕРМООБРАБОТКИ МЕТАЛЛОВ»
Челябинск 2011
Методические указания предназначены для студентов очного и заочного отделений, по направлениям подготовки 110800 «Агроинженерия», 190600 «Эксплуатация транспортно-технологических машин и комплексов», 260100 «Продукты питания из растительного »,сырья190100 «Наземные транспортно-технологические комплексы». Методические указания соответствуют программе курса дисциплины«Материаловедение. Технология конструкционных материалов»
Составитель |
Годлевская Е.В. – канд. пед. наук, доцент (ЧГАА) |
Рецензенты
Ответственный за выпуск
2
Введение
Цель данной работы научиться правильно разрабатывать технологию и
режим |
термообработки |
деталей |
машин(температуру |
нагрева, |
||||
продолжительность выдержки в печи, скорость охлаждения). Определять |
||||||||
режим |
отпуска |
согласно |
требуемых |
свойств( |
данной |
работе |
||
«контролирующим» свойством будет твёрдость), знать цель и особенность |
||||||||
каждого из выбранных видов термообработки. |
|
|
|
|||||
Письменное оформление домашнего |
задания |
выполняется на |
формате |
|||||
А4 на одной стороне и начинается |
титульным листом, а заканчивается |
|||||||
технологической картой (см. приложение). |
|
|
|
|
||||
Защита домашнего |
задания |
принимается |
преподавателем |
кафедры |
«Технология металлов» выдавшим задание или назначенным заведующим кафедрой.
1.Общие положения и рекомендации по выбору режима
термической обработки
Термической обработкой называют совокупность операций нагрева,
выдержки и охлаждения металлических сплавов, находящихся в твёрдом |
|
|||||
состоянии, для изменения их структуры и получения |
нужных физико- |
|||||
механических свойств. |
|
|
|
|
|
|
Термической обработке |
подвергают детали |
и |
инструменты |
для |
||
повышения |
твёрдости, прочности и |
износостойкости, а |
также заготовки |
|
||
(поковки, отливки и др.) для подготовки к механической обработке. |
|
|||||
Как |
правило, общая |
схема |
термической |
|
обработки |
детали |
представляется в такой последовательности: ОТЖИГ-ЗАКАЛКА-ОТПУСК. |
|
1.1.Отжиг стали
Отжиг применяется для получения равновесной структуры с целью снятия внутренних напряжений, снижения твёрдости, повышения пластичности и вязкости стали, улучшения её обрабатываемости резанием,
измельчения зерен для подготовки к последующей закалке.
3
Рассмотрим наиболее применяемые для этих целей полный, неполный и
изотермический отжиг. |
|
|
|
|
ПОЛНЫЙ |
ОТЖИГ. Основан |
на |
фазовой |
перекристаллизации, |
приводящей к измельчению зерна и стали(рисунок 1). При полном отжиге |
||||
устраняется волокнистая структура, образующаяся в процессе прокатки или |
||||
ковки, происходит снятие внутренних |
напряжений, что приводит к |
повышению пластичности изделия и облегчает получение изделий холодной штамповкой, резанием. Такой отжиг применяется для доэвтектоидных сталей
(т.е. сталей, содержащих менее 0,8% углерода). Полный отжиг заключается в
нагреве |
доэвтектоидной |
стали |
30на…50ºС |
выше |
температуры, |
|
соответствующей точке АС3 |
выдержке при этой температуре для полного |
|||||
прогрева |
и |
завершения |
фазовых превращений в объеме металла и |
|||
последующего медленного охлаждения со скоростью150…200ºС/ч – для |
||||||
углеродистых |
и 30…100ºС/ч – для легированных |
сталей(или |
охлаждение |
|||
вместе с печью). |
|
|
|
|
оС |
|
|
А мелкозернистый |
АС3 |
Охлаждение |
Нагре |
|
П |
Ф |
Фмелкозернистый
Пмелкозернистый
Рисунок 1- Превращения, происходящие в стали при полном отжиге.
При нагреве из |
исходной структуры |
феррит+ перлит образуется |
аустенит, характеризующийся мелким зерном и, поэтому, при охлаждении, |
||
зерна образующейся |
феррито-перлитной |
структуры получаются также |
4
мелкими. Продолжительность отжига зависит от размера детали и может быть в пределах 2…20 часов (для небольших деталей обычно 1…4 часа). Для расчетов можно ориентировочно принять tотж » 3 времени закалки.
НЕПОЛНЫЙ ОТЖИГ. Широко применяют для заэвтектоидных сталей
(т.е. сталей, содержащих более 0,8% углерода). Эти стали нагревают до температуры выше точки АС1 на 30…50ºС, что вызывает практически полную перекристаллизацию и позволяет получить зернистую(сфероидальную)
форму перлита вместо пластинчатой.
Ц
оС |
А |
АС1
|
Охлаждение |
Нагрев |
|
|
|
|
Ц |
|
П |
Ц
П мелкозернистый
Время
Рисунок 2- Превращения, происходящие в стали при неполном отжиге.
Такой отжиг называется сфероидизацией или отжигом на зернистый перлит. После неполного отжига эвтектоидные и заэвтектоидные стали обладают наилучшей обрабатываемостью резанием, т.е. возможно применение больших скоростей резания и достигается высокая чистота поверхности. Отжигу на зернистый перлит подвергаются также тонкие листы и прутки из низко-и среднеуглеродистой стали перед холодной штамповкой или волочением для повышения пластичности.
ИЗОТЕРМИЧЕСКИЙ ОТЖИГ. В ОСНОВНОМ ПРИМЕНЯЮТ ДЛЯ ЛЕГИРОВАННЫХ ЦЕМЕНТУЕМЫХ СТАЛЕЙ(ЗАГОТОВОК,
НЕБОЛЬШИХ РАЗМЕРОВ). Он состоит из нагрева легированной стали, как
5
идля полного отжига( .е. АС3+30…50ºС), в сравнительно быстром
охлаждении до температуры ниже точки А (обычно 660…630ºС). При этой
1
температуре |
назначают изотермическую |
выдержку3…6 ч, после чего |
|||
следует охлаждение на воздухе. Преимущество такого отжига – сокращение |
|||||
длительности процесса, особенно |
для легированных сталей, которые для |
||||
заданного |
снижения |
твёрдости |
|
приходится охлаждать очень медленно; |
|
второе преимущество – |
получение |
более |
однородной феррито-перлитной |
структуры. Нагрев осуществляют в печах с контролируемой атмосферой.
1.2. Закалка стали
Качество закаленных изделий зависит от температуры нагрева, времени
выдержки изделий в печи и скорости охлаждения. Правильный выбор этих
параметров обеспечивает получение изделий без закалочных дефектов. |
|
|||
1. Температура нагрева зависит от содержания углерода |
в . стали |
|||
Изделия |
изготовленные из |
доэвтектоидных |
сталей, нагревают |
на |
30…50ºС |
выше температуры |
С3А для перевода |
феррито-перлитной |
|
структуры |
в аустенитную(tзак.= |
AС3 + 30…50ºС), |
а из эвтектоидных |
сталей на 30…50ºС выше АС1 (т.е. tзак. = АС1 + 30…50ºС) (рисунок 3)
6
Рисунок 3 - Оптимальный интервал закалочных температур углеродистых сталей:
2. Общая продолжительность выдержки в печи(t ) определяется
зак.
суммарным временем: временем нагрева (tН) и временем выдержки (tВ):
tзак. = tН + tВ
Ориентировочно для изделий из углеродистых сталей время нагрева определяют из расчёта1 мин на 1мм сечения (например, для прутка диаметром 20мм tН=20мин.); для легированных сталей– 2 мин на 1 мм сечения. При нагреве в соляных ваннах время нагрева уменьшается в 2 раза.
Время выдержки (tВ) принимают равным 1/4 от времени нагрева – для углеродистых и 1/3 для легированных сталей (т.е. для нашего примера tзак. =
20+ (20 × 1/4) = 25мин.)
3.Скорость охлаждения при закалке.
Наиболее ответственной операцией при закалке является охлаждение,
которое должно осуществляться со скоростью больше критической(Vкр) для
получения структуры мартенсита в пределах заданного сечения изделия и не должно вызывать закалочных дефектов: трещин, деформаций, коробления и высоких растягивающих остаточных напряжений в поверхностных слоях.
Для каждой стали своя величина критической скорости, и зависит она от химического состава. Чем больше в стали углерода и легирующих элементов,
тем меньше значение Vкр и больше прокаливаемость стали. Так углеродистые стали закаливаются на мартенсит только в резких средах(вода, раствор
щелочи), а легированные в масле. Требуемая скорость охлаждения
обеспечивается подбором охлаждающей среды. Следует стремиться
охлаждать сталь с меньшей скоростью, но больше критической. Чтобы получить мартенсит с меньшими напряжениями и деформациями, также избежать трещин. Твёрдость стали после закалки в основном зависит от содержания углерода. Чем больше углерода в стали, тем выше твёрдость мартенсита (рисунок 4).
7
Рисунок 4 - Зависимость твердости мартенсита от содержания углерода в стали
Для снижения напряжений при закалке и уменьшения деформаций и коробления применяют различные способы охлаждения (рисунок 5).
Рисунок 5 - Способы закалки стали:
V1 – в одном охладителе; V2 – в двух средах; V3 – ступенчатая; V4 –
изотермическая
При непрерывной закалке(V1) в воде или щелочи напряжения максимальные. Закалку в одном охладителе применяют для деталей простых
форм.
8
В результате прерывистой закалки(V2) через воду в масло, внутренние напряжения уменьшаются. Такой способ закалки часто применяют для
инструмента из углеродистой стали.
Ступенчатая закалка (V3), в результате выдержки при температуре выше
МН, приводит к снижению напряжений, коробления и деформаций и уменьшению опасности образования трещин. При выполнении закалки по этому способу сталь после нагрева до температуры закалки охлаждают в
среде, имеющей |
температуру |
несколько |
выше |
точкиН |
(обычноМ |
||
180…250ºС), и выдерживают в ней сравнительно короткое время. Затем |
|||||||
изделие охлаждают до комнатной температуры на воздухе. Этот способ |
|||||||
применяют для закалки деталей из легированных сталей, |
также деталей |
||||||
небольших сечений (до 10 мм) из углеродистых сталей. Недостаток этого |
|||||||
метода в том, что горячие, медленно охлаждающиеся среды не позволяют |
|||||||
получить необходимые скорости охлаждения для крупных деталей. |
|
||||||
При изотермической закалке (V4) более длительная выдержка, чем при |
|||||||
V3, приводит |
к |
образованию |
бейнита и |
повышению |
конструктивной |
||
прочности деталей. Закалку по этому способу выполняют в основном так же, |
|||||||
как и ступенчатую, но в данном случае, предусматривается более длительная |
|||||||
выдержка |
выше |
точки Н. МИзотермическую |
закалку |
целесообразно |
|||
применять |
для |
деталей, склонных к |
короблению и образованию трещин. В |
качестве охлаждающей среды при ступенчатой и изотермической закалке чаще применяют расплавленные соли в интервале температур150…500ºС,
например 55% KNO3 и 45% NaNO2 (или NaNO3), а также расплавленные щелочи (20% NaOH и 80% КОН). Охлаждение в расплавах едких щелочей,
если предварительно детали нагревались в жидких солях(т.е. солях, не вызывающих окисления), позволяет получить чистую поверхность светло-
серого цвета. Закалку по этому способу называют светлой.
1.2.Отпуск стали
Отпуск является заключительной операцией термической обработки, её правильности проведения которой зависит качество детали. Рекомендуется
9
осуществлять его сразу после закалки. Выбор температуры отпуска
определяется окончательной твёрдостью детали (рисунок 6). С повышением температуры отпуска твёрдость и прочность понижаются, а пластичность и вязкость увеличиваются. В зависимости от технических требований,
предъявляемых к детали, применяются следующие виды отпуска.
ºС
Рисунок 6 - Зависимость твёрдости от температуры отпуска для
углеродистых сталей с различным содержанием углерода Низкий отпуск (150…200ºС) снижает внутренние напряжения.
Применяется для изделий, где требуется высокая твёрдость56…64 HRC и
износостойкость. Продолжительность отпуска зависит от размеров детали
(0,5…4 ч). Охлаждение после отпуска на воздухе. Применяется для инструмента, цементуемых деталей, работающих на износ(поверхность
шестерен после цементации, кулачки вала после высококачественной закалки и др.).Для выполнения данного задания(расчет режима на одну деталь) общее время пребывания детали в электропечи при отпускесоставляет примерно2
мин на 1 мм максимального сечения для углеродистых сталей и3 мин – для легированных сталей (но не менее30-40 мин для деталей небольшого сечения).
В структуре стали сохраняется мартенсит, но с несколько измененной
кристаллической решеткой, в результате чего немного уменьшается
10