МИНИСТЕРСТВО НАУКИ И ВЫСШЕГО ОБРАЗОВАНИЯ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ
ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ОБРАЗОВАНИЯ
«ТЮМЕНСКИЙ ИНДУСТРИАЛЬНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ»
Институт промышленных технологий и инжиниринга
Кафедра «Материаловедения и
технологии конструкционных
материалов»
РАЗРАБОТКА ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ПРОЦЕССА ТЕРМИЧЕСКОЙ
ОБРАБОТКИ СТАЛЬНОЙ ДЕТАЛИ
Пояснительная записка к курсовой работе по дисциплине:
«Термическая и химико-термическая обработка»
ВЫПОЛНИЛ:
студент гр. МТМ(ТЭК)бп-17-1
Новопашин Е.И.
ПРОВЕРИЛ:
д.т.н., доцент кафедры МТКМ
Ковенский И.М.
Тюмень, 2020
2
СОДЕРЖАНИЕ
ВВЕДЕНИЕ
4
1. Расшифровка марки заданной стали
5
2. Анализ влияния углерода и легирующих элементов стали на
технологию ее термообработки и полученные результаты.
8
3. Последовательность операции предварительной и окончательной
термообработки деталей
10
4. Режим операций предварительной и окончательной термообработки
детали
11
5. Описание микроструктуры и механических свойств материала детали
после окончательной термообработки
16
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
18
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ
19
3
ЗАДАНИЕ
Разработать технологический процесс термической обработки вала
коробки передач.
Таблица 1 – Исходные данные
Марка стали
Твердость после окончания
термообработки
На поверхности
58-62 HRC
15ХГН2ТА
В сердцевине
250-350 HB
4
ВВЕДЕНИЕ
Прогресс в современной машинной технике связан с созданием u
освоением
новых,
наиболее
экономичных
материалов,
развитием
и
внедрением в производство методов упрочнения металлов, расширении
сортамента выпускаемых материалов.
Совершенство производства, выпуск современных разнообразных
машиностроительных конструкций, инструмента, специальных приборов и
машин невозможны без дальнейшего развития производства стали. В
зависимости от назначения сталям предъявляют различные требования.
Некоторые из них должны отличаться высокой прочностью другие пластичностью, высокой износостойкостью и усталостной прочностью.
Получение тех или иных свойств определяется структурой. В свою
очередь строение стали зависит от состава и характера предварительной
обработки, следовательно, между всеми этими характеристиками существует
определённые связи: между составом и строением (первая связь), между
обработкой и строением (вторая связь), между строением и свойствами
(третья связь).
Различные
операции
термической
обработки
характеризуются
следующими элементами: скоростью нагрева, температурой максимального
нагрева,
продолжительностью
выдержки
при
температуре
нагрева,
скоростью охлаждения. В свою очередь изменение значения свойств
металлов при проведении термической обработки объясняется изменением
внутреннего строения, которое испытывает сталь при её нагреве и
охлаждении.
Изм. Лист
Разраб.
№ докум.
Провер.
Новопашин
Е.И.
Ковенский
Реценз.
И.М.
Н. Контр.
Утверд.
Подпись Дата
Лит.
ВВЕДЕНИЕ
Лист
Листов
4
19
Гр. МТМ(ТЭК)бп17-1
5
1. Расшифровка марки заданной стали
15ХГН2ТА – сталь конструкционная легированная хромоникелевая.
По содержанию углерода сталь является низкоуглеродистой, так как
содержит 0.15% С (низкоуглеродистые стали содержат менее 0.25% С). По
степени раскисления данная сталь является спокойной.
Из стали 15ХГН2ТА изготовляют 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.
Легирующие элементы в общем случае определяют размер зерна
аустенита, его устойчивость при охлаждении, свойства феррита и карбидной
фазы и другие факторы. Поэтому легирование стали имеет многоцелевое
назначение.
Таблица 2 - Химический состав стали 15ХГН2ТА, % (ГОСТ 4543 – 71)
Изм. Лист
Разраб.
Химический элемент
%
C
0.13 - 0.18
Si
0.17 - 0.37
Mn
0.7 - 1
Ni
1.4 - 1.8
S
до 0.025
P
до 0.025
Cr
0.7 - 1
Ti
0.03 - 0.09
Cu
до 0.3
№ докум.
Провер.
Новопашин
Е.И.
Ковенский
Реценз.
И.М.
Н. Контр.
Утверд.
Подпись Дата
Расшифровка марки
заданной стали
Лит.
Лист
Листов
5
3
Гр. МТМ(ТЭК)бп17-1
6
Таблица 3 - Механические свойства при Т=20oС материала 15ХГН2ТА
Сортамент
Размер Напр.
мм
-
-
sв
sT
d5
y
Термообр.
KCU
МПа МПа % % кДж /
-
м2
Пруток,
Ø 15
930
735
11 55
Закалка 960 -
980
ГОСТ 4543-
840oC, масло,
71
Отпуск 180oC,
воздух,
Обозначения:
sв
- Предел кратковременной прочности , [МПа]
d5
- Относительное удлинение при разрыве , [ % ]
y
- Относительное сужение , [ % ]
KCU - Ударная вязкость , [ кДж / м2]
HB
- Твердость по Бринеллю , [МПа]
Рисунок 1 — Структура доэвтектоидной стали 15ХГН2ТА под микроскопом
Доэвтектоидные
стали
имеют
структуру
феррита
и
перлита.
Количество феррита и перлита в структуре определяется содержанием
углерода в стали и концентрацией углерода в эвтектоиде. К этому классу
относятся сталь 15ХГН2ТА
Лист
Изм. Лист
№ докум.
Подпись Дата
2
7
Цементуемые легированные стали имеют низкое содержание углерода
(0,10–0,25%) для того, чтобы после цементации, закалки и низкого отпуска
детали имели твердый поверхностный слой и вязкую сердцевину. Твердость
поверхностного слоя после такой обработки около 60HRC, а сердцевины находится в пределах 15-30HRC.
Лист
Изм. Лист
№ докум.
Подпись Дата
3
8
2. Анализ влияния углерода и легирующих элементов стали на
технологию ее термообработки и полученные результаты.
Влияние хрома.
Основное назначение легирования стали 15ХГН2ТА
увеличение
прокаливаемости.
Прокаливаемость
–
хромом –
это
глубина
проникновения закаленной зоны, а за глубину прокаливаемости принимают
расстояние от поверхности закаленного изделия до слоя со структурой,
состоящей из 50% мартенсита и 50% троостита.
Влияние никеля.
Никель
увеличивает
пластичность
и
вязкость
стали,
снижает
температуру порога хладноломкости и уменьшает чувствительность стали к
концентраторам напряжений.
Влияние марганца.
Характер
влияния
марганца
на
механические
свойства
стали
определяется условиями термообработки и содержанием углерода. Марганец,
являясь наиболее дешевым и более доступным легирующим элементом,
способен обеспечить высокую прокаливаемость и за счет этого повышенную
однородность структурного состояния стали. Он понижает критическую
скорость закалки и увеличивает прокаливаемость стали. Марганец расширяет
область аустенита, причем температура превращения γ–α резко снижается.
Влияние постоянных примесей.
Кроме углерода, в стали присутствуют такие постоянные примеси как
кремний, фосфор и сера. Содержание этих элементов в стали 15ХГН2ТА
ограничивается следующими верхними пределами: 0,37% – Si; 0,025% – S;
0,025% – P.
Влияние кремния.
Кремний попадает в сталь при раскислении. Кремний необходим для
Изм. Лист
Разраб.
№ докум.
Провер.
Новопашин
Е.И.
Ковенский
Реценз.
И.М.
Н. Контр.
Утверд.
Подпись Дата
Анализ влияния углерода и
легирующих элементов
стали на технологию ее
термообработки и
полученные результаты.
Лит.
Лист
Листов
8
2
Гр. МТМ(ТЭК)бп17-1
9
устранения вредных примесей закиси железа, а также вредных сернистых
соединений железа. Растворяется в феррите и цементите.
Влияние серы.
Сера, как и фосфор, попадают в металл из руд. При комнатной
температуре растворимость серы в феррите практически отсутствует.
Поэтому вся сера в стали связана в сульфиды железа и марганца и частично в
сульфиды легирующих элементов.
Влияние фосфора.
Руды железа, а также топливо и флюсы содержат какое-то количество
фосфора, которое в процессе производства чугуна остается в нем в той или
иной степени и затем переходит в сталь. Растворимость фосфора в феррите и
аустените значительно выше, чем содержание фосфора в стали как примеси.
Поэтому фосфор в стали целиком находится в твердом растворе, и его
влияние на свойства сказывается через изменения свойств феррита и
аустенита.
Таблица 4 - Температура критических точек стали 15ХГН2ТА
Критическая точка
°С
Ac1
710
Ac3
800
Ar1
640
.
Лист
Изм. Лист
т
№ докум.
Подпись Дата
Дата
2
10
3. Последовательность операции предварительной и окончательной
термообработки деталей
Термическая обработка — это технологический процесс тепловой
обработки изделий из металлов и сплавов с целью изменения их структуры,
механических, физических и химических свойств.
Предварительная термическая обработка применяется для исправления
структуры и получения однородных механических свойств по всему сечению
детали. Она улучшает технологические свойства, обеспечивает оптимальную
обрабатываемость при механической обработке.
Отжиг для облегчения механической обработки стальной детали.
Состоит в нагреве до определённой температуры с последующей выдержкой
и медленным охлаждением в печи для получения равновесной, менее
твёрдой структуры, свободной от остаточных напряжений.
Таблица 5 — Режим термообработки (ГОСТ 4543-71)
Операция
t, 0С
Охлаждающая
среда
НВ ∙ 10−1 , МПа
Отжиг
(медленное
охлаждение)
830–870
с печью
269
В
результате
изотермического
отжига
устраняется
внутреннее
напряжение, снижается твердость, повышается пластичность и вязкость, что
позволяет провести механическую обработку материала. Микроструктура
стали 15ХГН2ТА до заключительной термической обработки состоит из
пластинчатого перлита и феррита.
Отличительной особенностью изотермического отжига является то, что
при его проведении распад аустенита на ферритно-цементитную смесь
происходит при постоянной температуре. При других видах отжига такой
Изм. Лист
Разраб.
№ докум.
Провер.
Новопашин
Е.И.
Ковенский
Реценз.
И.М.
Н. Контр.
Утверд.
Подпись Дата
Последовательность
операции предварительной и
окончательной
термообработки деталей
Лит.
Лист
Листов
10
2
Гр. МТМ(ТЭК)бп17-1
11
распад происходит в период охлаждения в условиях непрерывного снижения
температуры.
После того как уже произошел распад аустенита, скорость охлаждения
не
имеет
существенного
значения,
и
поэтому
охлаждение
после
изотермической выдержки можно проводить на воздухе. Это дает
определенные преимущества:
- сокращается длительность процесса.
- структура получается более однородной, поскольку превращение
аустенита в перлит происходит при одной и той же температуре, а не в
интервале температур, как при обычном отжиге
Лист
Изм. Лист
№ докум.
Подпись Дата
2
12
4. Режимы операций предварительной и окончательной термообработки
детали
Последовательность операций режимов термической обротки после
отжига: цементация – закалка - отпуск - механическая обработка.
Цементация – это насыщение поверхностного слоя Ме углеродом при
нагреве в соответствующей среде. Цементация с последующей ТО повышает
предел
выносливости
стальных
изделий
вследствие
образования
в
поверхностном слое значительных остаточных напряжений сжатия. Таким
образом, цементированная сталь обладает высокой износостойкостью и
контактной прочностью, что нам и нужно при получении нашей детали.
Последовательность операций цементации для стали 15ХГН2ТА:
1. Для науглероживания слоя наружной поверхности, детали нагревают
с использованием печи до температуры 930˚С. При такой температуре
происходит активизация выделения углерода, который начинает внедряться в
межкристаллическое пространство решетки стали.
2. Выдержка в течение 13 часов для получения 1 мм науглероженного
слоя из расчета, что скорость внедрения углерода составляет 0,1 мм в час.
3. Медленное охлаждение на воздухе при t=20˚С
После проведения цементации твердость науглероженного слоя
достигает 60–64 HRC на низкоуглеродистых сталях. Длительное нахождение
стали при высоких значениях температуры, вызывает изменение структуры
металла.
В
результате
цементации
поверхностный
слой
деталей
науглероживается (0,8 - 1% С), а в сердцевине остается 0,12 - 0,32% С, т.е.
получается, как бы двухслойный металл. Поэтому для получения нужной
структуры и свойств в поверхностном слое и в сердцевине необходима
двойная термическая обработка.
Изм. Лист
Разраб.
№ докум.
Провер.
Новопашин
Е.И.
Ковенский
Реценз.
И.М.
Н. Контр.
Утверд.
Подпись Дата
Режимы операций
предварительной и
окончательной
термообработки детали
Лит.
Лист
Листов
12
4
Гр. МТМ(ТЭК)бп17-1
13
Рисунок 2 – Структура стали после цементации
Когда к цементированным изделиям предъявляют повышенные
требования
в
отношении
механических
свойств
после
цементации,
охлаждение производят медленное и затем двойная закалка. Первая закалка
выше Ас3 для сердцевины, вторая выше Ас1 для поверхности.
Таблица 6 – Режимы термообработки для закалки и отпуска (ГОСТ 4543-71)
Термообработка
Закалка
Температура,
Среда
Температура,
Среда
˚С
охлаждения
˚С
охлаждения
масло
180
воздух
Марка стали
15ХГН2ТА
Отпуск
1-й
2-й
закалки
закалки
960
840
воздух
Первую закалку назначают, чтобы измельчить структуру сердцевины и
устранить сетку цементита на поверхности, которая устраняется при быстром
охлаждении. Основная цель закалки стали это получение высокой твердости,
и прочности, что является результатом образования в ней неравновесных
Лист
Изм. Лист
т
№ докум.
Подпись Дата
Дата
2
14
структур
–
мартенсита, троостита, сорбита. После первой
закалки
цементированный слой оказывается перегретым и содержащим повышенное
количество остаточного аустенита, как показано на рисунке 3.
Рисунок 3 — Мартенсит и остаточный аустенит
Поэтому применяют вторую закалку. В процессе нагрева мартенсит,
полученный в результате первой закалки, отпускается, что сопровождается
образованием глобулярных карбидов, которые в определенном количестве
сохраняются после неполной закалки в поверхностной заэвтектоидной части
слоя, увеличивая его твердость. Вторая закалка обеспечивает также мелкое
зерно в науглероженном слое.
Окончательной операцией термической обработки является низкий
отпуск при температуре 180 °С проводится для снятия внутренних
напряжений и получение более устойчивого структурного состояния. Он
выполняется с целью получения структуры мартенсита отпуска и для
частичного снятия внутренних напряжений в закаленной стали с целью
повышения вязкости без снижения твердости. После такого режима
термической обработки структура поверхностного слоя — мелкоигольчатый
мартенсит с вкраплениями избыточного цементита, а сердцевины —
мелкозернистый феррит + перлит.
Лист
Изм. Лист
т
№ докум.
Подпись Дата
Дата
3
15
Рисунок 4 - Структура стали 15ХГН2ТА после цементации, закалки и
низкого отпуска
Лист
Изм. Лист
№ докум.
Подпись Дата
4
16
5. Описание микроструктуры и механических свойств материала детали
после окончательной термообработки
В
результате,
структура
стали
15ХГН2ТА
будет
состоять
из
мелкоигольчатого мартенсита и остаточного аустенита.
Таблица 7 – Результаты после термообработки
Описание
микроструктуры
Микроструктура
Твердость
Поверхность
Игольчатый мартенсит
58-62
HRC
Сердцевина
Феррит + цементит
250-350
HB
Изм. Лист
Разраб.
№ докум.
Провер.
Новопашин
Е.И.
Ковенский
Реценз.
И.М.
Н. Контр.
Утверд.
Подпись Дата
Описание микроструктуры и
механических свойств
материала детали после
окончательной
термообработки
Лит.
Лист
Листов
16
2
Гр. МТМ(ТЭК)бп17-1
17
Таблица 8 - Механические свойства стали 15ХГН2ТА после окончательной
термообработки
Термообработка, Сечение,
состояние
σ0,2,
σB,
δ5, ψ, KCU, HB
мм
Мпа МПа % % Дж/м2
100
690
HRCэ
поставки
Закалка. Отпуск
830
11 50
69
240
59-63
Вывод: в результате приведенной термической обработки получили
HRC 58-62 (поверхность), НВ 250-350 (сердцевина), немного снимаются
внутренние напряжения, сталь становится менее хрупкой, твердость остается
высокой.
Низкотемпературный отпуск является окончательным видом
термической обработки для вала коробки передач.
Лист
Изм. Лист
№ докум.
Подпись Дата
2
18
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Термическую
обработку
применяют
на
различных
стадиях
производства деталей машин и металлоизделий. В одних случаях она может
быть
промежуточной
операцией,
служащей
для
улучшения
обрабатываемости сплавов давлением, резанием, в других - является
окончательной
операцией,
обеспечивающей
необходимый
комплекс
показателей механических, физических и эксплуатационных свойств изделий
или полуфабрикатов. Полуфабрикаты подвергают термической обработке
для
улучшения
структуры,
снижения
твердости
(улучшения
обрабатываемости), а детали - для придания им определенных, требуемых
свойств (твердости, износостойкости, прочности и других).
В
данной
работе
разработан
технологический
процесс
термообработки вала коробки передач. Термическая обработка представляла
собой комплекс операций: цементация - нормализация - высокий отпуск закалка - низкий отпуск -механическая обработка. После данных операций
была получена необходимая твердость На поверхности 58-62 HRC, в
сердцевине 250-350 HB, что обеспечит качественную работу детали и
необходимый срок эксплуатации.
Изм. Лист
Разраб.
№ докум.
Провер.
Новопашин
Е.И.
Ковенский
Реценз.
И.М.
Н. Контр.
Утверд.
Подпись Дата
Лит.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Лист
Листов
18
19
Гр. МТМ(ТЭК)бп17-1
19
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ
1. Дальский, А.М. [и др.]. Технология конструкционных материалов/–
М.: Машиностроение, 2005. – 592 с.
2. А.П.Гуляев Металловедение - М.: Металлургия, 1986, 272стр
3. А.С. Зубченко, М.М. Колосков, Ю.В. Каширский и др. Под общей
ред. А.С. Зубченко Марочник сталей и сплавов. 2-е изд., доп. и испр. / – М.:
Машиностроение, 2003.
4. А.И. Самохоцкий. Технология термической обработки металлов, М.,
Машгиз, 1962.
5. Материаловедение и технология конструкционных материалов: учеб.
для вузов/ С.Н. Колесов, И.С. Колесов. – М.:Высш. шк., 2004.-578 с
6. ГОСТ 4543-71. Прокат из легированной конструкционной стали.
Изм. Лист
Разраб.
№ докум.
Провер.
Новопашин
Е.И.
Ковенский
Реценз.
И.М.
Н. Контр.
.
Утверд.
Подпись Дата
Лит.
СПИСОК
ИСПОЛЬЗОВАННЫХ
ИСТОЧНИКОВ
Лист
Листов
19
19
Гр. МТМ(ТЭК)бп17-1