Ирина Эланс

Автор который поможет с любыми образовательными и учебными заданиями

Термическая обработка детали

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ 3

ГЛАВА 1. ТЕРМИЧЕСКАЯ ОБРАБОТКА СТАЛИ. ОТЖИГ 6

ГЛАВА 2. ТЕРМИЧЕСКАЯ ОБРАБОТКА СТАЛИ. ЗАКАЛКА 16

ГЛАВА 3. ТЕРМИЧЕСКАЯ ОБРАБОТКА СТАЛИ. ОТПУСК 25

ГЛАВА 4. МЕХАНИЧЕСКАЯ ОБРАБОТКА ДЕТАЛИ РЕЗАНИЕМ 29

ЗАКЛЮЧЕНИЕ 34

СПИСОК ИСПОЛЬЗУЕМЫХ ИСТОЧНИКОВ 35

ВВЕДЕНИЕ

Термическая обработка металлов и сплавов — процесс тепловой обработки металлических изделий, целью которого является изменение структуры и свойств в заданном направлении.

Среди основных видов термической обработки следует отметить:

Отжиг (гомогенизация и нормализация), целью которого является получение однородной зерненой микроструктуры и растворение включений. Последующее охлаждение является медленным, препятствующим образованию неравновесных структур типа мартенсита.

Закалку проводят с повышенной скоростью охлаждения с целью получения неравновесных структур типа мартенсита. Критическая скорость охлаждения, необходимая для закалки зависит от материала.

Отпуск необходим для снятия внутренних напряжений, внесённых при закалке. Материал становится более пластичным при некотором уменьшении прочности.

Инструментальные стали марки У-10.

Назначение - инструмент, работающий в условиях, не вызывающих разогрева режущей кромки: метчики ручные, рашпили, надфили, пилы для обработки древесины, матрицы для холодной штамповки, гладкие калибры, топоры.

Деталь втулка.

Втулка — деталь машины, механизма, прибора цилиндрической или конической формы (с осевой симметрией), имеющая осевое отверстие, в которое входит сопрягаемая деталь.

Втулка - сменяемая деталь механизма, через которую проходят вал, стержень или поршень, имеющие вращательное или прямолинейное поступательно-возвратное движение, вследствие чего втулка изнашивается. Обычное сечение втулки—кольцеобразное. На паровозах их ставятся в тягах тормозного механизма, рессорного подвешивания, кулисного и дышлового механизма, в паровых цилиндрах и золотниковых полостях. В указанных механизмах она облегчает достижение требуемой точности и удешевляет ремонт вследствие того, что все операции по отделке и термической обработке втулки или хромированию значительно проще, чем обработка крупной тяги или цилиндра.

В зависимости от назначения применяют втулки подшипниковые, закрепительные, переходные и др.

Втулка переходная, используемая на металлообрабатывающем оборудовании для установки инструмента с разными конусами Морзе.

На токарном станке втулка переходная используется для установки инструмента в заднюю бабку, неподвижного центра в переднюю бабку.

Для фрезерного станка втулка переходная - основной переходный элемент позволяющий значительно снизить затраты на технологическую подготовку производства.

Даны размеры втулки:

ГЛАВА 1. ТЕРМИЧЕСКАЯ ОБРАБОТКА СТАЛИ. ОТЖИГ

Традиционно сложившееся понятие «отжиг» охватывает несколько отличающихся друг от друга по режиму операций термообработки, объединенных единой целью — привести сталь в термодинамически равновесное состояние с минимальной плотностью дислокации (10⁶—10⁷ см"²), по возможности низкой твердостью и высокой пластичностью.

Наиболее распространенной разновидностью отжига является обыкновенный отжиг, который производится с целью умягчить сталь перед механической обработкой и подготовить ее структуру к окончательной обработке, состоящей из закалки и отпуска. Этому отжигу подвергаются имеющие неблагоприятную грубозернистую структуру литые заготовки, а также заготовки, прошедшие ковку, штамповку и другие виды обработки давлением, также нуждающиеся в исправлении структуры.

В ряде случаев, когда получающиеся после отжига свойства обеспечивают долголетнюю службу детали, он оказывается, окончательным видом термообработки. При обыкновенном отжиге сталь нагревается до температуры на 30—50°С выше линии 0SК. выдерживается при этой температуре до полного завершения структурно-фазовых превращений и охлаждается с очень малой скоростью (менее 100 °С/ч) в камере печи с отключенными источниками теплоты (рис.2).

Рис.2 Температура нагрева стали при основных видах термообработки в зависимости от содержания углерода.

Заэвтектоидную сталь при отжиге нельзя нагревать выше точки Асm (линия SЕ), так как образующаяся при очень медленном охлаждении вокруг зерен перлита цементитная сетка затрудняет механическую обработку заготовки резанием и охрупчивает сталь. Умягчению стали при отжиге способствует очень малая плотность дислокации.

Диффузионный отжиг, или гомогенизация, является разновидностью отжига, применяемого с целью устранения в легированной стали (как и в других сплавах) дендритной ликвации.

При диффузионном отжиге с целью интенсификации диффузионных процессов сталь нагревается до 1000—1100°С и подвергается длительной выдержке (18—24 ч). Для устранения крупнозернистости после гомогенизации производится обыкновенный отжиг, или нормализация.

Диффузионному отжигу подвергают слитки легированной стали с целью уменьшения дендритной или внутрикристаллитной ликвации, которая повышает склонность стали, обрабатываемой давлением, к хрупкому излому, к анизотропии свойств и возникновению таких, эффектов, как шиферность (слоистый излом) и флокены (тонкие внутренние трещины, наблюдаемые в изломе в виде белых овальных пятен).

Дендритная ликвация понижает пластичность и вязкость легированной стали. Поэтому слитки и крупные отливки нередко подвергают гомогенизирующему или диффузионному отжигу.

Нагрев при диффузионном отжиге должен быть до высоких температур 1100—1200°С, так как только в этом случае более полно протекают диффузионные процессы, необходимые для выравниваний в отдельных объемах состава стали. Диффузия наиболее интенсивно протекает в начале выдержки, заметно снижаясь с течением времени. Поэтому во избежание образования большого. Количества окалины, уменьшения расхода топлива и увеличения производительности печей выдержка должна быть минимальной обычно 15-20ч. После выдержки садку охлаждают до 800-820°С в печи, а далее на воздухе.

Во многих случаях для уменьшения дендритной ликвации не проводят специального диффузионного отжига, а выполняют более высокий и длительный нагрев для горячей деформации.

В результате диффузионного отжига получается крупное зерно. Этот недостаток устраняется при последующей обработке слитка давлением или в процессе последующей термической обработки.

Рекристаллизационный отжиг. Этот вид отжига производится с целью устранения наклепа холоднодеформированного металла. Напомним, что наклепанный металл очень тверд и хрупок, его кристаллическая решетка вследствие высокой плотности дислокации и наличия большого числа других дефектов (вакансий, перемещенных в междоузлия атомов), а также из-за искажений и больших внутренних напряжений находится в неравновесном состоянии, обладая большим запасом избыточной свободной энергии. В сильно наклепанном металле из-за слияния дислокации в местах их скопления наблюдаются опасные дефекты — зародыши трещин.

Следовательно, в ряде случаев наклеп приходится устранять. Для этого требуется нагрев, стимулирующий диффузионные процессы. Наклеп можно устранить, применяя уже рассмотренный обыкновенный отжиг. Однако рекристаллизационный отжиг из-за значительно более низкой температуры намного меньшей продолжительности его проведения при практически одинаковых результатах более предпочтителен.

Температура нагрева при этом виде отжига выбирается на 150-200°С выше температуры рекристаллизации (Тр) обрабатываемого сплава. Это наименьшая температура, необходимая для протекания в наклепанном металле процессов, возвращающих ему исходные (до деформации) значения характеристик механических и других свойств.

Температура рекристаллизации зависит от состава сплава и связана с температурой его плавления уравнением Тр=aТпл (где Тпл выражена в К; а —

коэффициент, зависящий от природы сплава). Для углеродистых сталей и не сложных по составу сплавов он составляет 0,4, а у легированных сталей и сложных сплавов твердых растворов достигает 0,6—0,8.

Рекристаллизационный отжиг углеродистой стали производится при температуре нагрева в пределах 600—700 °С.

Во время нагрева и выдержки в холоднодеформированном металле происходят рекристаллизационные процессы, суть которых сводится к таким следующим друг за другом по мере нагрева и выдержки явлениям, как аннигиляция (самоликвидация) противоположных по знаку дислокации, выстраивание дислокационных стенок (из леса дислокации) и, наконец, зарождение и рост новых равновесных зерен. Причем если первые два явления происходят при Т < Тр, то зарождение новых зерен происходит только при Т > Тр.

Заметное укрупнение рекристаллизованных зерен за счет поглощения более крупными зернами соседних мелких (собирательная рекристаллизация) происходит по окончании процесса формирования новых зерен из материала разрушенных старых. Для этого требуются продолжительные выдержки при повышенных температурах.

В рекристаллизованном металле плотность дислокации составляет 10⁷ см^-2, поэтому он имеет низкие прочностные характеристики и высокую пластичность.

Наклеп необходимо устранять после холодной обработки металла давлением, производимой при Т <Тр (ковка, штамповка, тонколистовая прокатка и в других случаях).

Отжиг II рода (фазовая перекристаллизация).

Отжиг II рода заключается в нагреве стали до температур выше точек, Ас1 или Ас3, выдержке и, как. правило, последующем медленном охлаждении. В процессе нагрева и охлаждения в этом случае протекают фазовые превращения (g→a), определяющие структуру и свойства стали.

После отжига углеродистой стали получаются структуры указанные на диаграмме состояния железо-цементит; феррит + перлит в доэвтектоидных сталях; перлит в эвтектоидной стали перлит и вторичный цементит в заэвтектоидных сталях. После отжига сталь имеет низкую твердость и прочность при высокой пластичности. При фазовой перекристаллизации измельчается зерно и устраняются видманштеттова структура и строчечность, вызванная ликвацией, и другие неблагоприятные структуры стали . В большинстве случаев отжиг является подготовительной термической обработкой; отжигу подвергают отливки, поковки, сортовой и фасонный прокат, трубы, горячекатаные листы и т. д. Понижая прочность и твердость, отжиг облегчает обработку, резание средне- и высокоуглеродистой стали. Измельчая зерно, снимая внутренние напряжения и уменьшая структурную неоднородность, отжиг способствует повышению пластичности и вязкости по сравнению со свойствами, полученными после литья, ковки и прокатки. В некоторых случаях (например для многих крупных отливок) отжиг является окончательной термической обработкой.

Полный отжиг заключается в нагреве доэвтектоидной стали на 30—50 °С выше температуры, соответствующей точке Ас3, выдержке при этой температуре для полного прогрева и завершения фазовых превращений в объеме металла и последующем медленном охлаждении(рис. 3 б, кривая 1).

При нагреве до температуры выше точки А3 на 30-50°С образуется аустенит, характеризующийся мелким зерном, поэтому при охлаждении возникает мелкозернистая структура (рис. 3, а), обеспечивающая высокую вязкость и пластичность и возможность достижения высоких свойств после окончательной термической обработки.

Чрезмерное повышение температуры нагрева выше точки А3 вызывает рост зерна аустенита, что ухудшает свойства стали. Время нагрева и продолжительность выдержки при заданной температуре зависят от типа нагревательной печи, способа укладки изделии в печь, от высоты садки, типа полуфабриката (лист, сортовой прокат и т. д.).

Рис.3. Схема полного отжига(а) и диаграмма изотермического распада аустенита(б) углеродистой стали: 1- охлаждение при отжиге; 2- охлаждение при нормализации.

На металлургических заводах скорость нагрева не ограничивают и устанавливают ее максимально возможной по тепловой мощности печи (чаще ~100°С/ч); продолжительность выдержки может колебаться от 0,5 до 1 ч на 1 т нагреваемого металла. Металл загружают в печь непосредственно после выгрузки предыдущей садки, при температуре печи 400-500°С. Нагрев металла на металлургических заводах ведут в садочных печах периодического действия или в проходных печах непрерывного действия с роликовым подом, обеспечивающих равномерный прогрев, возможность проведения всех видов отжига, высокий уровень механизации и автоматизации.

Для защиты металла от окисления и обезуглероживания на металлургических заводах все шире применяются защитные (контролируемые) атмосферы. Защитная атмосфера составляется так, чтобы при химическом равновесии в печи обезуглероживающее и окислительное воздействие О₂, СО₂ и H₂О на сталь уравновешивалось противоположным воздействием СО и СН₄. В этом случае атмосфера выполняет защитные функции.

На металлургических заводах чаще применяют экзотермическую атмосферу ПСО-09, получаемую путем почти полного сжигания природного газа (коэффициент избытка воздуха а = 0,9), нередко с добавкой 1-2% по объему природного газа СН₄. Состав атмосферы: 2 % СО. 2 % На. 96 % Ма.

Медленное охлаждение должно обеспечить распад аустенита при малых степенях переохлаждения (см. рис. 3), чтобы избежать образования излишне дисперсной ферритно-карбидной структуры и свойственной ей более высокой твердости.

Скорость охлаждения при отжиге зависит от устойчивости переохлажденного аустенита, а следовательно, от состава стали. Чем больше устойчивость аустенита в области температур перлитного превращения, тем медленнее должно быть охлаждение. Поэтому легированные стали, обладающие высокой устойчивостью переохлажденного аустенита, охлаждаются Значительно медленнее (чаще со скоростью 40—60 °С/ч), чем углеродистые, скорость охлаждения которых составляет 100—150 °С/ч.

После распада аустенита в перлитной области дальнейшее охлаждение можно ускорять и выполнять даже на воздухе, Если отжиг предназначен и для снятия напряжений, например. в отливках сложной конфигурации, медленное охлаждение с не чью проводят почти до нормальной температуры.

Полному отжигу подвергают сортовой прокат из стали с 0.3 - 0,4%С, поковки и фасонные отливки.

Изотермический отжиг (рис. 4, а) состоит обычно в нагреве легированной стали, как и для полного отжига, и в сравнительно быстром охлаждении до температуры, лежащей ниже точки А1 (обычно 660—680 °С).

При этой температуре назначают изотермическую выдержку 3—6 ч, необходимую для полного распада аустенита, после чего следует охлаждение на воздухе.

Одно преимущество изотермического отжига—в сокращении длительности процесса, особенно для легированных сталей, которые для заданного снижения твердости приходится охлаждать очень медленно. Для наибольшего ускорения процесса температуру изотермической выдержки выбирают близкой к температуре минимальной устойчивости переохлажденного аустенита в перлитной области (рис. 4, б). Другое преимущество изотермического отжига заключается в получении более однородной ферритно-перлитной структуры; при изотермической выдержке температура по сечению изделия выравнивается и превращение по всему объему стали происходит при одинаковой степени переохлаждения. Для некоторого укрупнения зерна и улучшения обработки резанием температуру отжига принимают 930-950 °С. Нагрев нередко осуществляют в проходных печах с контролируемой атмосферой.

Рис.4.Схема изотермического отжига стали (Q — масса садки, т).

Изотермическому отжигу чаще подвергают поковки (штамповые заготовки) и сортовой прокат из легированной цементированной стали небольших размеров.

При отжиге больших садок (20—30 т и более) быстрое и равномерное охлаждение до температуры изотермической выдержки невозможно. Превращения в отдельных участках садки протекают при разных температурах, что приводит к неравномерной структуре и твердости в пределах одной садки, поэтому для таких садок изотермический отжиг обычно не применяется.

Пружинной (канатную) проволоку из стали, содержащей 0,65-0,9%С, перед холодным волочением подвергают изотермический обработке – патентированию. Для патентирования проволоку подвергают высокотемпературной аустенитизации для получения однородного аустенита, а затем пропускают через расплавленную соль, температурой 450—550°С. В результате изотермического распада аустенита образуется тонкопластинчатый троостит или сорбит. Такая структура позволяет при холодной протяжке давать большие обжатия (более 75 %) без обрывов и после заключительного холодного волочения получить высокую прочность (σв == 2000—2250 МПа).

Неполный отжиг отличается от полного тем, что сталь нагревают до более низкой температуры (немного выше точки А1). Неполный отжиг доэвтектоидных сталей применяют для улучшения обрабатываемости их резанием. При неполном отжиге, происходит частичная перекристаллизация стали — вследствие перехода перлита в аустенит. Избыточный феррит лишь частично превращается в аустенит. Такой отжиг конструкционных легированных сталей проводится при 750—770°С о последующим охлаждением со скоростью 30—60°С/ч (чем выше легированность стали, тем медленнее охлаждение) до 600 "С, далее на воздухе.

Неполный отжиг широко применяют для заэвтектоидных углеродистых и легированных сталей. В этих сталях проводят нагрев до температуры лишь немного выше точки А1 (обычно на 10-30°С), что вызывает практически полную перекристаллизацию и позволяет получить зернистую (сфероидальную) форму перлита вместо пластинчатой. Такой отжиг называют сфероидизацией. Частицы цементита, не растворившегося при нагреве, или области аустенита о повышенной концентрацией углерода за счет неполной его гомогенизации после растворения цементита служат центрами кристаллизации для цементита, выделяющегося при последующем охлаждении до температуры ниже точки А1 и принимающего в этом случае зернистую форму. В результате нагрева до температуры значительно выше точки А1 и растворения большей части цементита и более полной гомогенизации аустенита последующее выделение его ниже точки А1 происходит в пластинчатой форме. Если избыточный цементит находился в виде сетки, что является дефектом, то перед этим отжигом предварительно нужно провести нормализацию с нагревом, до температуры выше точки Аст для растворения сетки из вторичного цементита е последующим охлаждением на воздухе или в воздушной струе для предупреждения выделении этого цементита по границам аустенита. Нормализацию нередко проводят с прокатного (ковочного) нагрева.

Стали, близкие к эвтектоидному составу, имеют узкий интервал температур нагрева (750-760°С) для отжига на зернистий цементит, для заэвтектоидных углеродистых сталей интервал расширяется до 770-790°С. Легированные эаэвтектоидные стали для получения зернистых карбидов можно нагревать до более широких температур и в более широком интервале (770-820).

Охлаждение при сфероидизации медленное. Оно должно обеспечить распад аустенита на ферритно-карбидную структуру, сфероидизации н коагуляцию образовавшихся карбидов при охлаждении до 620-680 °С. Чаще применяют изотермический отжиг, требующий меньше времени. В этом случае сталь медленно охлаждают (30-50°С/ч) до 620-680 °С. Выдержка при постоянной температуре, необходимая для распада переохлажденного аустенита и коагуляции карбидов, составляет 1-3 ч в зависимости от массы отжигаемого металла. Последующее охлаждение проводят на воздухе.

Диаграмма рекристаллизационного отжига детали

HRC 30

ГЛАВА 2. ТЕРМИЧЕСКАЯ ОБРАБОТКА СТАЛИ. ЗАКАЛКА

Закалка — это термическая обработка, заключающаяся в нагреве стали до температуры выше критической (А3 для доэвтектоидной и А1—для заэвтектоидной сталей) или температуры растворения избыточных фаз, в выдержке и последующем охлаждении со скоростью, превышающей критическую (рис. 5). Закалка не является окончательной операцией термической обработки. Чтобы уменьшить хрупкость и напряжения, вызванные закалкой, и получить требуемые механические свойства, сталь после закалки обязательно подвергают отпуску.

Рис.5. Схема закалки доэвтектоидной стали:

а – схема закалки, б – изотермическая диаграмма распада переохлажденного аустенита доэвтектоидной стали с указанием скорсти охлаждения при закалке V и критической скорости закалки V; А – аустенит, Б – бейбнит, Ф – феррит, М – мартенсит.

Инструментальную сталь в основном подвергают закалке и отпуску для повышения твердости, износостойкости и прочности, а конструкционную сталь – для повышения прочности, твердости, получения достаточно высокой пластичности, а для ряда деталей также высокой износостойкости.

Выбор температуры закалки. Доэвтектоидные стали нагревают до температуры на 30— 50°С выше точки Ас3 (рис. 5). В этом случае сталь с исходной структурой перлит+феррит при нагреве приобретает аустенитную структуру, которая при последующем охлаждении со скоростью выше критической превращается в мартенсит, Закалку от температур, соответствующих межкритическому интервалу (Ас1—Ас3), применяют только для листовой низколегированной низкоуглеродистой стали для получения структуры феррита с небольшими участками мартенсита (20—30 %). обеспечивающей хорошие механические свойства и штампуемость. Во всех других случаях закалка доэвтектоидных сталей из межкритического интервала температур не применяется, так как механические свойства оказываются ниже, чем после закалки от температур выше точки А3.

Заэвтектоидные стали под закалку нагревают несколько выше температуры точки Ас1(рис. 6, а). При таком нагреве образуется аустенит при сохранении некоторого количества цементита. После охлаждения структура стали состоит из мартенсита и нерастворимых частиц карбидов, обладающих высокой твердостью (рис. 6, б). Верхний предел температуры закалки для большинства заэвтектоидных сталей ограничивают, так как чрезмерное повышение температуры выше точки А1 связано с ростом зерна, что приводит к снижению прочности и сопротивления хрупкому разрушению. Поэтому интервал колебания температур закалки большинства сталей невелик (15—20 °С). Закалка от температур выше точки Аст снижает твердость стали за счет увеличения количества остаточного аустенита (рис. 6, б).

Для многих высоколегированных сталей температура нагрева под закалку значительно превышает критические точки А1 и А3 (на 150—250 °С). что необходимо для перевода в твердый раствор специальных карбидов и получения требуемой легированности аустенита.

Это повышение температура не ведет к заметному росту зерна. так как нерастворенные частицы карбидов тормозят рост зерна аустенита.

Продолжительность нагрева при аустенитизации стали должна обеспечить прогрев изделия по сечению и завершение фазовых превращений, но не должна быть слишком большой, чтобы не вызвать роста зерна и обезуглероживания поверхностных слоев стали.

Рис. 6. Диаграмма состояния Fe— Fe3C с нанесенным и температурами нагрева для закалки сталей и зависимость твердости и количества остаточного аустенита стали после закалки с различных температур от содержания углерода; 1 — мартенсит; 2 — заэвтектондная сталь, закаленная от температуры А1+ (20— 30 °С); 3 — завввтектоидная сталь, закаленная от температуры Аст + (20—30 "С); 4 — количество остаточного ауотеннта (Аост ) после заколки от температуры А3 + (20—30 °С) (доэвтектоидной стали) н Аст + (20-.30 "С) (заэптектовдной стали).

составом и свойствами стали и т. д.; Vи.в — продолжительность изотермической выдержки при данной температуре, не зависящая от формы и размера изделия и определяемая только составом и исходным состоянием стали.

В настоящее время разработаны инженерные методы расчета основных типовых параметров — продолжительности нагрева, скорости нагрева, перепада температуры по толщине металла и т. д. Но часто пользуются опытными данными. На 1 мм сечения или толщины изделия из доэвтектоидных сталей продолжительность нагрева принимают в электропечах 45—75с, а в соляной ванне — 15—20с.

Величина Vи.в должна быть минимальной, но при этом обеспечивать завершение фазовых превращений в стали и необходимую концентрацию углерода и легирующих элементов в аустените.

Продолжительность изотермической выдержки при заданной температуре для деталей машин часто принимают равной 15—25% от продолжительности сквозного нагрева.

Выдержка в электрической печи при температуре закалки для инструмента из углеродистой стали (0,7—1,3%С) рекомендуется 50—80 с на 1 мм наименьшего сечения, а легированной стали 70—90 с; при нагреве в соляной ванне соответственно 20—25 с для углеродистой стали и 25—30 с для легированной.

Фасонный инструмент и детали машин сложных форм при нагреве под закалку для уменьшения деформации рекомендуется предварительно подогревать в печи при 400—600 °С.

Выбор среды для нагрева при термической обработке. При нагреве в пламенных или электрических печах взаимодействие печной атмосферы с поверхностью нагреваемого изделия приводит к окислению и обезуглероживанию стали, которое снижает твердость, механические свойства и износостойкость.

Для многих высоколегированных сталей температура нагрева под закалку значительно превышает критические точки А1 и А3 (на 150—250 °С), что необходимо для перевода в твердый раствор специальных карбидов и получения требуемой легированности аустенита.

Общая продолжительность нагрева Vобщ. =Vс.п + Vи.в. в. где Vс.п —продолжительность сквозного прогрева до заданной (конечной) температуры, обусловленная формой и размерим изделий, их расположением, типом печи, составом и свойствами стали и т. д.; Vи.в — продолжительность изотермической выдержки при данной температуре, не зависящая от формы и размера изделия и определяемая только составом и исходным состоянием стали.