Разработка технологического процесса термической обработки Серьги пружинной трактора Т-100М

Разработка технологического процесса термической обработки  Серьги пружинной трактора Т-100М

Порядок выполнения работы

1. Условия работы детали в процессе эксплуатации, выяснить возможные виды разрушений и другие причины выхода её из строя, дать характеристику необходимых механических свойств стали.
2. Вид поставки.
3. Расшифровать марку стали.
4. Химические состав марки стали в %.
5. Расшифровать марку заданной стали, описать ее механические свойства в состоянии поставки.
6. Определить место стали в классификации по назначению, химическому составу, качеству, структуре.
7. Температура критических точек в °С.
8. Механические свойства заданной марки стали, твердость, предел прочности, пластичность, ударная вязкость .
9. Назначить метод упрочнения детали, дефекты, возникающие при термической обработке, и способы их предупреждения.
10. Обозначения.

 Пружины обычно работают  в условиях многократных повторных  нагружений. Такие детали должны  обладать высокими упругими свойствами  и выдерживать при эксплуатации  большое число повторных нагружений  без поломок и без осадки. Последнее  означает, что при снятии нагрузки  пружина должна полностью восстанавливать  свои первоначальные размеры  и форму. Многочисленными исследованиями  установлено, что на долговечность  работы пружин и рессор большое  влияние оказывает качество и  чистота обработки поверхности.  Риски, волосовины, царапины и  другие дефекты поверхности недопустимы,  поскольку они резко снижают  работоспособность таких деталей.

Сталь 65Г поставляется в  виде: сортовой прокат, в том числе фасонный: ГОСТ 14959-79 , ГОСТ 2590-2006, ГОСТ 2591-2006, ГОСТ 2879-2006. Калиброванный пруток: ГОСТ 1051-73, ГОСТ 14959-79 , ГОСТ 7417-75, ГОСТ 8559-75, ГОСТ 8560-78. Шлифованный пруток и серебрянка: ГОСТ 14955-77. Лист толстый: ГОСТ 1577-93. Лента: ГОСТ 2283-79, ГОСТ 21996-76 , ГОСТ 21997-76 , ГОСТ 10234-77. Полоса: ГОСТ 103-2006, ГОСТ 4405-75 . Проволока: ГОСТ 11850-72 . Поковки и кованые заготовки: ГОСТ 1133-71.

Сталь 65Г конструкционная, рессорно-пружинная, низколегированная, с содержанием углерода 0,65% (65), легирована марганцем (Г)

5.                      

Механические  свойства при Т=20^oС материала 65Г .*

Физические  свойства материала 65Г .*

6.    

     Сталь (польск.  stal,  от нем.  Stahl) – деформирующийся (ковкий) сплав железа с углеродом (до 2,14 %) и другими элементами.

Стали, как наиболее широко используемые материалы, представлены в современной технике значительным числом марок (составов), исчисляемых  тысячами, причем оно постоянно увеличивается  в соответствии с возникающими новыми разнообразными требованиями многих отраслей промышленности. В связи с этим, характеризовать стали по одному какому-либо признаку, одинаковому  для всех марок, сложно. Наиболее рациональным подходом при решении этой задачи является распределение сплавов по свойствам, наиболее характерным для отдельных групп с классификацией по следующим основным признакам:

– химическому составу;

– структуре;

– степени раскисления;

– качеству;

– назначению.

По химическому составу стали классифицируются на углеродистые и легированные. У обеих групп различаются низкоуглеродистые (С < 0,3 %), среднеуглеродистые (С = 0,3…0,7 %) и высокоуглеродистые (С > 0,7 %). У легированных сталей, в зависимости от введенных элементов, различаются группы хромистых, хромоникелевых и многих других. По количеству легирующих элементов стали могут быть низколегированными (менее 5 %), среднелегированными (5…10 %), высоколегированными (более 10 %).

По структуре стали систематизируются в отожженном и нормализованном состояниях. В зависимости от структуры в отожженном (равновесном) состоянии они могут быть следующих классов:

– доэвтектоидные, имеющие  структуру избыточного феррита;

– эвтектоидные, структура  которых состоит из перлита;

– заэвтектоидные, в структуре  которых имеются вторичные (выделяющиеся из аустенита) карбиды;

– ледебуритные, содержащие в структуре первичные (эвтектические) карбиды;

– аустенитные, со структурой аустенита;

– ферритные, со структурой феррита.

Углеродистые стали могут  быть первых трех классов, а легированные – всех классов.

По степени раскисления стали делятся на спокойные, полуспокойные и кипящие.

Раскислением называется процесс удаления кислорода из жидкого  металла более активными (чем  железо) элементами, иначе сталь  хрупко разрушается при горячей  деформации.

Спокойные стали раскисляются алюминием, марганцем и кремнием. Они содержат мало кислорода и затвердевают спокойно, без выделения газов. Содержание кремния в таких сталях обычно составляет 0,12…0,35 %, что повышает предел текучести, но снижает пластичность.

Кипящие стали раскисляются только марганцем. Перед разливкой  они содержат повышенное количество кислорода, который при кристаллизации взаимодействуя с углеродом удаляется  в виде углекислого газа. Выделение  газа создает впечатление, что сталь  кипит. Кипящие стали сравнительно дешевые. Они производятся низкоуглеродистыми и практически без кремния (менее 0,07 %).

Полуспокойные стали раскисляются алюминием и марганцем и занимают промежуточное положение между  спокойными и кипящими.

По качеству стали классифицируются на стали обыкновенного качества, качественные, высококачественные и особовысококачественные. Под качеством понимается совокупность свойств, определяемых процессом ее производства, и зависит от химического состава, строения, содержания газов (кислорода, водорода, азота) и вредных примесей (серы и фосфора). Так как газы относятся к трудноопределяемым компонентам, то разделение сталей по качеству производится, в основном, по количеству вредных примесей. Стали обыкновенного качества содержат до 0,06 % серы и 0,07 % фосфора; качественные – до 0,04 и 0,03 % соответственно; высококачественные – не более 0,025 %; а особовысококачественные – не более 0,015 % каждого. Стали обыкновенного качества выпускаются только углеродистыми (С < 0,5 %), качественные и высококачественные – углеродистыми и легированными, особовысококачественные – легированными.

По назначению стали подразделяются на конструкционные, инструментальные и специальные.

Наиболее распространенной группой является группа конструкционных  сталей, из которых изготавливаются  изделия промышленных предприятий, транспорта, строительства. Эти стали  выдерживают значительные нагрузки, обладают высокой прочностью и вязкостью, имеют высокую сопротивляемость динамическим и ударным воздействиям. Среди конструкционных сталей можно  выделить цементуемые, улучшаемые, высокопрочные, рессорно-пружинные, строительные, арматурные, шарикоподшипниковые и другие.

Инструментальные  стали подразделяются на стали для  режущего и измерительного инструмента, штампов холодного и горячего деформирования.

К сталям специального назначения относятся жаростойкие  и жаропрочные, коррозионностойкие, износостойкие, электротехнические и  другие.

7.                     

Температура критических  точек материала 65Г.

8.

9.  

Закалка объемная, отпуск средний

От неправильного проведения закалки в деталях и инструменте  могут возникнуть различные дефекты.

, то часть феррита не превратится  в аустенит. После охлаждения  аустенит превратится в мартенсит,  а феррит, не перешедший при  нагреве в аустенит, останется  в закаленной стали. В результате  получится структура, состоящая  из мартенсита и феррита (рис. 69, а). Феррит, имеющий низкую твердость  (НВ 80), находясь вместе с мартенситом,  будет снижать общую твердость  закаленной стали. Этот дефект  можно исправить, для чего недогретую  сталь отжигают, а затем проводят  нормальную закалку.

Перегрев получается в  том случае, если сталь была нагрета  до температуры намного выше критической  или при оптимальной температуре  была дана очень большая выдержка. При перегреве происходит рост зерна  аустенита, а после закалки образуется крупноигольчатый мартенсит (рис. 69, б). Механические свойства перегретой стали  низкие (чрезмерная хрупкость). Сталь, перегретую при закалке, отжигают (или  нормализуют) и вновь закаливают.

Пережог получается в том  случае, если сталь была нагрета  до температуры, близкой к температуре  начала плавления. Пережог характеризуется  оплавлением и в связи с  этим окислением металла по границам зерна (рис. 69, в), поэтому сталь становится очень хрупкой; пережог является неисправимым браком.

Закалочные трещины являются результатом резкого охлаждения или нагрева вследствие возникающих  при этом внутренних напряжений как  термических, так и структурных; перегрева; неравномерного охлаждения; наличия в деталях острых углов, глубоких рисок и т. п., в которых  при закалке из-за концентрации внутренних напряжений создаются условия для  образования

трещин; вылеживания закаленных деталей, если в них отпуском не сняты (частично) внутренние напряжения; наличия  в стали неметаллических включений, раковин и других дефектов. Структурные изменения, происходящие в металле при термической обработке, вызывают изменение объема (деформацию), а неравномерность охлаждения — искажение внешней формы (коробление). Например, наибольший объем из структур имеет мартенсит, поэтому при закалке с получением мартенситной структуры будет увеличиваться объем детали. Коробление может происходить без изменения объема (под влиянием термических напряжений) и с изменением объема (под влиянием структурных напряжений). Для первого случая характерным является деформация деталей из железа после многократного нагрева ниже температуры в критической точке и охлаждения; форма деталей будет приближаться к форме шара (рис. 70, а). Для второго случая характерным является деформация стальных деталей после многократной закалки на мартенсит (рис. 70, б). У детали кубической формы грани выгибаются к центру. У цилиндрической детали длина увеличивается, а у детали в форме диска толщина уменьшается. Таким образом, форма различных деталей под влиянием структурных напряжений изменяется иначе, чем под влиянием термических напряжений.

Для предотвращения деформаций и коробления необходимо обеспечить медленное  охлаждение в интервале  мартенситного превращения  путем ступенчатой  и изотермической закалок, закалки

в двух средах, изготовления деталей из легированных сталей, чтобы их можно было закаливать в масле.

Уменьшение  коробления достигается  также правильным способом погружения детали в охлаждающую  жидкость (рис. 71), например, длинные стержневые детали необходимо охлаждать в вертикальном положении, закаливать в закалочных машинах и штампах и др. коробление детали исправляют правкой или рихтовкой.

При наличии  на поверхности детали окалины и загрязнений, соприкосновении  деталей друг с  другом в процессе охлаждения, неравномерном  охлаждении, неравномерной  структуре стали (крупные  зерна наряду с  мелкими, полосчатость), загрязнении стали  неметаллическими включениями  в некоторых зонах  детали вместо мартенсита образуется троостит или сорбит и твердость  детали получается неравномерной (пятнистая  закалка). Способами  борьбы с пятнистой  закалкой являются предохранение  деталей от образования  окалины в процессе нагрева, очистка  деталей перед  закалкой, выбор правильного  способа охлаждения, контроль стали на однородность.

Состояние закаленных деталей  отличаются очень сильной неравновесностью структуры. Это обусловлено повышенной концентрацией углерода в твердом  растворе, высокой плотностью дефектов кристаллического строения, а также  внутренними напряжениями, строениями и термическими. Из-за этого закаленная сталь хотя и обладают высокой  прочностью и твердостью, одновременно с этим имеет практически нулевой  запас вязкости. Ударные нагрузки могут вызвать быстрое разрушение деталей. Кроме того, переход неравновесной  структуры закаленной стали в  более стабильную может происходить  с течением времени самопроизвольно  под воздействием окружающей температуры  или внешних нагрузок. Этот переход  сопротивляется изменением объёма и  поэтому такая ситуация недопустима  для высокоточных деталей или  для измерительного инструмента. Поэтому  всегда закаливание детали подвергается дополнительной термообработке – отпуску. Отпуском называется нагрев закаленной стали до температур ниже критической точки Ас1 выдержка при этой температуре с последующим охлаждением (обычно на воздухе) . Отпуск является окончательной термической обработкой. Целью отпуска является изменение строения и свойств закаленной стали: повышение вязкости и пластичности, уменьшение твердости, снижение внутренних напряжений. 
С повышением температуры нагрева прочность обычно уменьшается, а удлинение, сужение, а также ударная вязкость растут (рис. 1). Температуру отпуска выбирают, конкретной детали.

Рис 1.

 Влияние температуры  отпуска на механические свойства  стали с 0,4 % С 
В зависимости от температуры нагрева различают три вида отпуска: низкотемпературный, среднетемпературный и высокотемпературный. 
При низкотемпературном отпуске закаленную сталь нагревают до 150—250 °С. После выдержки при этой температуре (обычно 1—3 ч) в детали получают структуру отпущенного (кубического) мартенсита При низком отпуске частично снимаются закалочные напряжения. Если в стали было значительное количество остаточного аустенита, то в результате его превращения в кубический мартенсит твердость после низкого отпуска может увеличиться на 2—3 единицы и HRC..

Рис. 2.

 Структура закаленной  стали после различных видов  отпуска, Х500:

a — низкотемпературного (350-400 °С, бейнит);

б — среднетемпературного (450 — 600 °С, сорбит);

в —высокотемпературного (650—700 °С, перлит ); 
Низкий отпуск применяют для инструментальных сталей после цементации, поверхностной закалки и т.д. При среднетемпературном отпуске закаленную сталь нагревают до 350—400 °С. В результате получается структура троостита (бейнит). После такого отпуска в изделиях получается сочетание сравнительно высокой твердости (НRС 40— 45) и прочности с хорошей упругостью и достаточной вязкостью поэтому среднему отпуску подвергают пружины и рессоры. 
При высокотемпературном отпуске закаленные изделия нагревают до 450—650 °С. После такого нагрева и соответствующей выдержки в изделиях получается структура сорбита. В отличие от сорбита, образующегося после нормализации, когда цементит пластинчатый, после высокого отпуска цементит приобретает зернистую форму (рис. 2, б). Это существенно повышает ударную вязкость при одинаковой (или даже более высокой) твердости по сравнению с нормализованной сталью. Поэтому такой отпуск применяют для деталей машин, испытывающих при эксплуатации ударные нагрузки. Закалку с высоким отпуском часто называют улучшением. . При нагреве 650—700 °С получают структуру зернистого перлита (рис. 2, в).Поскольку в легированных сталях все диффузионные процессы протекают медленнее, время выдержки при отпуске таких сталей больше по сравнению с углеродистыми. Кроме того, карбидообразующие элементы замедляют коагуляцию карбидов, в результате чего они сохраняются мелкодисперсными до более высоких температур. Это одна из причин наблюдающегося явления так называемой вторичной твердости, т.е. увеличения твердости после отпуска в интервале 500— 600 °С (наблюдается в сталях, легированных хромом, молибденом, ванадием и некоторыми другими элементами).

Рис. 3.

Влияние температуры отпуска  на ударную вязкость стали с высокой  восприимчивостью к отпускной хрупкости:1 — быстрое охлаждение в воде или  масле; 2 — медленное охлаждение.

Поэтому в результате высокотемпературного отпуска при одной и той  же температуре, а следовательно, при  одной и той же структуре, легированные конструкционные стали имеют  более высокую прочность и  пластичность, чем углеродистые. Это  и является одной из основных причин применения легированных сталей для изготовления деталей ответственного назначения, испытывающих сложные напряжения при эксплуатации.

Обычно ударная вязкость с температурой отпуска увеличивается, а скорость охлаждения после отпуска  не влияет на свойства. Но для некоторых  конструкционных сталей наблюдается  уменьшение ударной вязкости (рис. 9). Этот дефект называется отпускной хрупкостью. Различают отпускную хрупкость I и II рода.

Отпускная хрупкость I рода наблюдается при отпуске в  области 300 °С у легированных, а также  углеродистых сталей. Не зависит от скорости охлаждения. Это явление  связывают с неравномерностью превращений  отпущенного мартенсита. Процесс  протекает быстрее вблизи границ зерен по сравнению с объемами внутри зерна. Благодаря этому вблизи границ создаются концентрации напряжений, границы становятся хрупкими. Отпускная  хрупкость I рода “необратима”, т. е. при  повторных нагревах тех же деталей  она в них не наблюдается.

Отпускная хрупкость II рода Наблюдается у легированных сталей при медленном охлаждении после  отпуска в области 450— 650 °С (штриховая линия на рис. 3). Существует несколько объяснений природы этого дефекта. Рассмотрим наиболее распространенное. При высоком отпуске по границам зерен происходит образование и выделение дисперсных включений карбидов. Приграничная зона обедняется легирующими элементами. При последующем медленном охлаждении происходит восходящая диффузия фосфора из внутренних объемов зерна к границам. Приграничные зоны зерна обогащаются фосфором, прочность границ понижается, ударная вязкость падает. Этому дефекту способствуют хром, марганец и фосфор (>0,001 %). Уменьшают склонность к отпускной хрупкости II рода молибден и вольфрам (до 0,5 %) и быстрое охлаждение после отпуска (сплошная линия на рис. 3). Отпускная хрупкость II рода “обратима”, т. е. при повторных нагревах и медленном охлаждении тех же сталей в опасном интервале температур этот дефект может повториться. Поэтому стали, склонные к отпускной хрупкости II рода, нельзя использовать для работы с нагревом до 650 °С без последующего быстрого охлаждения (например, штампы для горячей штамповки).

10.

*Обозначения: