Задание № Д-11
Для ответственных высоконагруженных деталей, испытывающих динамические нагрузки, применяют сложнолегированные цементуемые стали.
1. Валик диаметром 50 мм изготовлен из стали марки 20ХН3А. Укажите режимы газовой цементации и последующей термической обработки, обеспечивающие эффективную толщину слоя 1,1-1,3 мм, твердость поверхности 59-63 HRC, твердость сердцевины 30-35 HRC. Постройте график термообработки, включающий науглероживание и последующую термическую обработку в координатах температура-время с указанием: критических точек стали, температуры нагрева, состава науглероживающей среды, времени выдержки, среды охлаждения.
2. Опишите структурные превращения, происходящие в поверхностном слое и сердцевине детали на всех стадиях термической обработки.
3.Приведите основные сведения об этой стали: химический состав по ГОСТу, область применения, требования, предъявляемые к этому виду изделий, механические свойства сердцевины после выбранного режима термической обработки, технологические свойства, влияние легирующих элементов и др.
Отчет
Цементацией называется процесс насыщения поверхностного слоя стальных изделий углеродом. Цементация осуществляется с целью получения высокой твердости на поверхности изделия при сохранении вязкой сердцевины, она способствует повышению износостойкости и предела выносливости.
Цементацией подвергают детали из низкоуглеродистых сталей (до 0,25%), работающие в условиях контактного износа и знакопеременных нагрузок (втулки, поршневые пальцы, кулачки, колонки и т.д.).
Для цементации детали поступают после механической обработки с припуском на шлифование 0,05-0,10мм. Участки, не подлежащие цементации, защищают тонким слоем меди, наносимым электрическим способом, или специальными обмазками, состоящими из смеси огнеупорной глины, песка и асбеста, замешанных на жидком стекле.
Цементация осуществляется при температурах выше 900-950ºC. Чем меньше углерода в стали, тем выше температура нагрева для цементации. При этих температурах атомарный углерод адсорбируется на поверхности стали и диффундирует вглубь металла.
В результате цементации содержание углерода в поверхностном слое составляет 0,8-1,0%. Более высокая концентрация углерода способствует охрупчиванию цементованного слоя.
Для изготовления ответственных высоконагруженных деталей, испытывающих динамические нагрузки, в том числе и валиков, используют легированные стали нормальной и повышенной прочности.
Общее требование, предъявляемое к данным видам сталей - обеспечение высокой прочности, пластичности и вязкости сердцевины и высокой поверхностной твердости, работающие под действием ударных нагрузок и при отрицательных температурах, высокого сопротивления малым пластическим деформациям и релаксационной стойкости. Эти характеристики обеспечивают точность и надёжность работы изделий и постоянство во времени таких эксплуатационных свойств, как крутящий момент и силовые параметры.
Для обеспечения этих требований сталь должна быть в состоянии наибольшего упрочнения, т. е. иметь структуру низкоуглеродистого мартенсита и бейнита.
Сталь марки 20ХН3А относится к группе сложнолегированных цементуемых сталей, с низким содержанием углерода (0,1-0,3% С), средним (2,5-5%) содержанием легирующих элементов, необходимых для улучшения свойств (прокаливаемость, пластичность, вязкость, сопротивление возникновению вязких трещин, хладостойкость) .
Хотя данный вид стали и имеет благоприятное сочетание прочности, пластичности и вязкости, а также хладостойкости без поверхностного упрочнения, необходимые эксплуатационные свойства сталь получает после обработки, состоящей из цементации и последующей двойной закалки и низкого отпуска. Также для деталей, не требующих износостойкости можно проводить однократную закалку с низким отпуском.
Для нашего изделия (валик) примем первый вариант обработки: цементация с последующей двойной закалкой и низким отпуском.
Цементацию будем проводить при температуре 925°С, в газовом карбюризаторе с применением: эндотермической среды (20% СО, 40% Н2, 40% N2) + до 5% природного газа (СН4) в качестве компонентов контролируемой атмосферы. Приданной температуре скорость цементации составляет Vср=0,3мм/ч. Для толщины слоя 1,1-1,3 получаем время цементации  . В результате цементации цементируемый слой будет иметь следующую структуру: наружная часть слоя- структура заэвтектоидной стали- перлит и вторичный цементит, средняя часть- перлит, далее до центра- структура доэвтектоидной стали, с уменьшающейся концентрацией перлита.
По ГОСТ 4543-71 температура закалки для 20ХН3А составляет tз1=820°С (Ac3= 810°С). Определим время подогрева и время выдержки. Среднее время нагрева в электрических печах принимают 1,5-2 мин на 1 мм сечения изделия. Таким образом,  . Время выдержки обычно принимают равным 25...30% от времени нагрева. Тогда  .
При повторной закалке температура обработки составляет tз1=770ºС (Ac1= 730°С). Время подогрева и время выдержки аналогично первой закалке. В обоих случаях средой охлаждения выберем масло.
Низкий отпуск проводим при температуре tо=180ºС и продолжительностью  с охлаждением на воздухе. В результате низкого отпуска уменьшатся остаточные напряжения.
Данные режимы газовой цементации и последующей термической обработки обеспечат следующие свойства:
B =830 МПа,
0,2 =690 МПа,
5=11 %,
=50 %,
НВс=240
HRC=59-63
График термообработки, включающий науглероживание и последующую термическую обработку в координатах температура-время
Описание структурных превращений при термической обработке:
20ХН3А - сталь конструкционная легированная.
Критические точки стали: Ac1= 730°С, Ac3= 810°С
Структура слоев.
|
1
|
2
|
3
|
4
|
5
|
6
|
Поверхность
|
Ф+П
|
А+
|
П+
|
М+
|
М+
|
 +
|
Сердцевина
|
Ф+П
|
А
|
Ф+П
|
М
|
М
|
|
Описание структурных превращений происходящих в поверхностном слое и сердцевине детали:
До начала обработки во всём объеме детали присутствует структура доэвтектоидной стали: феррит + перлит. При нагреве заготовки до температуры 925°С во всем объеме образовывается аустенитная структура. Во время цементации происходит науглероживание поверхностного слоя изделия на эффективную глубину 1,1-1,3 мм. При этом поверхностный слой будет иметь структуру: аустенит + цементит вторичный. После завершения процедуры цементации из-за недостаточной для образования мартенсита скорости охлаждения получим следующие структуры: на поверхностном слое - заэвтектоидная структура: перлит + цементит вторичный, средняя часть - перлит, далее до центра - структура доэвтектоидной стали: феррит + перлит, с уменьшающейся концентрацией перлита.
Во время первой закалки, при температуре tз1> Ac3, во всём объеме детали образуется мелкозернистый аустенит. После охлаждения в масле со скоростью большей Vкр, аустенит перейдет в мартенсит, но из-за повышенного содержания углерода и недостаточной температуры охлаждения, в поверхностном слое не весь аустенит перейдет в мартенсит, т.е. в поверхностном слое будет присутствовать остаточный аустенит.
Во время повторной закалки, при температуре tз2> Ac1, в поверхностном слое образуется: аустенит + цементит вторичный, а в сердцевине весь мартенсит переходит в аустенит. После охлаждения в поверхностном слое будет присутствовать структура мартенсит + цементит вторичный, а в сердцевине - мартенсит. Наличие вторичного цементита в науглероженном слое повышает его твердость.
При низком отпуске, при температуре tо=180ºС, формируется структура отпущенного мартенсита - смеси пересыщенного углеродом α-раствора и когерентных с ним частиц ε-карбида. В результате этого часть углерода выделяется в виде метастабильного ε-карбида и уменьшается степень тетрагональности мартенсита, удельный объем, снижаются внутренние напряжения.
Сталь 20ХН3А. основные данные.
ГОСТ 4543-71. Сталь конструкционная легированная.
Химический состав в %:
С
|
Si
|
Mn
|
Ni
|
S
|
P
|
Cr
|
Cu
|
Fe
|
0,17 - 0,24
|
0,17 - 0,37
|
0,3 - 0,6
|
2,75 - 3,15
|
до 0,025
|
до 0,025
|
0,6 - 0,9
|
до 0,3
|
95
|
Применение : шестерни, валы, втулки, силовые шпильки, болты, муфты, червяки и другие цементуемые детали, к которым предъявляются требования высокой прочности, пластичности и вязкости сердцевины и высокой поверхностной твердости, работающие под действием ударных нагрузок и при отрицательных температурах.
заменители: 20ХГНР, 20ХНГ, 38ХА, 15Х2ГН2ТА, 20ХГР.
Критические точки: Ac1= 730°С, Ac3= 810°С
Влияние легирующих элементов.
Хром, растворяясь в феррите и цементите, оказывает благоприятное влияние на механические свойства стали, делает её более твердой и прочной, повышает ударную вязкость, но при этом снижает пластичность и жаростойкость стали, а также устойчивость против коррозии.
Большое процентное содержание никеля в стали, также влияет на повышение твердости и ударной вязкости стали. Также содержание никеля увеличивает пластичность сплава и повышает его устойчивость против коррозии.
Недостатки: склонность к отпускной хрупкости, ограниченная свариваемость.
Литература
Материаловедение. Учебник для ВУЗов. Под общей ред. Б. Н. Арзамасова. 2-е изд., перераб. и доп. – М.: Машиностроение, 1986. – 384 с.
Выбор материала и технологии термической обработки: Учебное пособие по курсу «Материаловедение» / А.А.Зябрев, Г.Г.Мухин, М.С.Павлов, Р.С.Фахуртдинов. – М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э.Баумана, 1999. 20 с., ил.
ГОСТ 4543-71 Прокат из легированной конструкционной стали. Технические условия.
Конспект лекций.
Журнал лабораторных работ по материаловедению.
|
Скачать 75.41 Kb.