Московский государственный технический университет
имени Н. Э. Баумана

Домашняя работа по курсу
«Материаловедение»

Задание Д-11













Выполнил: Ермаков П.В.

Группа СМ2-51

Проверил: Елисеев Э.А.







Москва, 2006г.

Задание:

Для ответственных высоконагруженных деталей, испытывающих динамические нагрузки, применяют сложнолегируемые цементируемые стали.

1) Валик 50мм изготовили из стали марки 20ХН3А. Укажите режимы газовой цементации и последующей термической обработки, обеспечивающие эффективную толщину слоя 1,1-1,3мм, твёрдость поверхности HRC 59-63, твёрдость сердцевины HRC 30-35. 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, влияние легирующих элементов и др.

Решение:

1)

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 в глубь металла.

В результате цементации содержание углерода в поверхностном слое составляет 0,8-1,0%. Более высокая концентрация углерода способствует охрупчиванию цементованного слоя.

Рис. Структура цементованного слоя

Среда, в которой проводят цементацию, называют карбюризатором.

В настоящие время основным процессом цементации на заводах массового производства является газовая цементация. При газовой цементации сокращается длительность процесса, можно обеспечивать более полную механизацию и автоматизацию процесса, упрощается последующая термическая обработка и, самое главное, можно получить заданную концентрацию углерода в слое.

Цементацию выполняют в шахтных, муфельных или безмуфельных печах непрерывного действия.

При цементации в шахтных печах для получения науглероживающей атмосферы применяют метан, керосин, синтин, бензол.

В печах непрерывного действия чаще используют метан. Для получения заданной концентрации углерода применяют атмосферы с регулируемым потенциалом углерода.

Под углеродным потенциалом атмосферы понимают определенную концентрацию углерода на поверхности цементованного слоя. Для ускорения процесса углеродный потенциал атмосферы в печи меняют по зонам. Вначале его поддерживают высоким, обеспечивающим получение в поверхностном слое концентрации углерода 1,3-1,4%, а затем его снижают для получения в этом слое оптимального содержания углерода 0,8%.

Будем цементовать при температуре tц=925ºC. При этой температуре средняя скорость газовой цементации низкоуглеродистых сталей для толщины слоя 1-1,5мм vср=0,3мм/ч.

После несложных расчетов получаем, что время цементации – 3ч20мин-4ч20мин.

Для тяжелонагруженных трущихся деталей машин, испытывающих в условиях работы динамическое нагружение, в результате термической обработки нужно получить не только высокую поверхностную твёрдость, но и высокую прочность и высокую ударную вязкость. Для обеспечения указанных свойств требуется получить мелкое зерно как на поверхности детали, так и в сердцевине. В таких ответственных случаях цементованные детали подвергают сложной термической обработке, состоящей из двух последовательно проводимых закалок и низкого отпуска.

При первой закалке деталь нагревают до температуры на 30-50ºС выше температуры Ас3 810ºC. В нашем случае при первой закалке нагреваем данную сталь до tз1=840-860ºС.

Расчёт времени нагрева и выдержки при закалке.

Для закалки общее время пребывания детали в печи рассчитывается следующим образом:

- время подогрева; - время выдержки при подогреве; - время окончательного нагрева; - время выдержки при окончательном нагреве.

Время подогрева рассчитывается по способу Смольникова:

- суммарный физический фактор нагрева, зависящий от температуры нагрева, нагревательной среды и материала детали, мин/см; - коэффициент равномерности нагрева; - геометрический показатель тела.

Коэффициент К принимаем равным =45 мин/см, =1,3мин/см,W=V/S=d/(d/1+4/π) примем равным 35мм. Следовательно, время подогрева детали составляет:

Выдержка при подогреве необходима для выравнивания температуры по сечению детали. Время выдержки обычно принимают равным 25...30% от времени нагрева . Тогда: .

Однако такое значение времени выдержки при подогреве недостаточно, так как данная сталь является легированной и имеет пониженную теплопроводность, поэтому следует увеличить время выдержки, введя поправочный коэффициент равный 3, тогда:

.

Принимаем время выдержки при подогреве равным 20мин.

Время окончательного подогрева рассчитывается аналогично времени подогрева по способу Смольникова:

.

При наличии предварительного подогрева расчётное время нагрева уменьшают на 20-30%, тогда: .

Принимаем время окончательного нагрева равным 15мин.

Найдём время окончательной выдержки. Для обычных сталей:

Однако в данной стали при закалке должны пройти диффузионные процессы растворения фаз в аустените. В легированных сталях диффузионные процессы замедлены, поэтому для завершения структурных превращений такая выдержка недостаточна поэтому вводим поправочный коэффициент равный 3: .

.

При второй закалке деталь нагревают до температуры, на 30-50ºС превышающей температуру Ас1 730ºС. В нашем случае при второй закалке деталь нагреваем до tз2=760-780ºС. За среду охлаждения примем масло, как обеспечивающее высокую его скорость. Окончательной операцией термической обработки является низкий отпуск при 160-200ºС. При низком отпуске его продолжительность составляет 0,5-2ч в зависимости от сечения. Примем время отпуска равным 1ч.





Выберем среду цементации (карбюризатор):

Состав карбюризатора

Режим цементации

Глубина слоя, мм

Т, °С

τ, ч

Газообразные карбюризаторы

Эндотермическая среда (20% СО, 40% Н2, 40% N2) + до 5% природного газа (СН4)

930–950

6–10

0,7–1,5

2)

При первой закалке во всём объёме детали установится аустенитное состояние. Нагрев до температур, лишь немного превышающих Ас3, вызывает перекристаллизацию сердцевины детали с образованием мелкого аустенитного зерна, что обеспечить мелкозернистость продуктов распада. При данной температуре весь диффузионный слой переходит в аустенитное состояние, поэтому, чтобы предотвратить выделение цементита, проводят закалку.

При второй закалке мартенсит, полученный в результате первой закалки, отпускается, что сопровождается образованием глобулярных карбидов, которые в определённом количестве сохраняются после неполной закалки в поверхностной заэвтектоидной части слоя, увеличивая его твёрдость. Вторая закалка также обеспечивает мелкое зерно в науглерожнном слое.

Далее следует низкий отпуск, уменьшающий остаточные напряжения и не снижающий твёрдость стали.

После этих термических обработок поверхностный слой приобретает структуру отпущенного мартенсита с включениями глобулярных карбидов, а сердцевина после закалки в масле приобретает, в соответствии с количеством легирующих элементов, структуру низкоуглеродистого мартенсита в смеси с нижним бейнитом, которая обеспечивает сочетание высокой прочности и вязкости.

3) Общие сведения

Заменитель
стали: 20ХГНР, 20ХНГ, 38ХА, 15Х2ГН2ТА, 20ХГР.

ГОСТ

ГОСТ 4543-71

Вид поставки

Сотовой прокат, в том числе фасонный: ГОСТ 4543-71, ГОСТ 2590-71, ГОСТ 2591-71, ГОСТ 2879-69. Калиброванный пруток ГОСТ 7417-75, ГОСТ 8559-75, ГОСТ 8560-78, ГОСТ 1051-73. Шлифованный пруток и серебрянка ГОСТ 14955-77. Полоса ГОСТ 103-76. Поковки и кованые заготовки ГОСТ 1133-71, ГОСТ 8479-70. Трубы ОСТ 14-21-77.

Назначение
Шестерни, валы, втулки, силовые шпильки, болты, червяки, муфты и другие цементируемые детали, к которым предъявляются требования высокой прочности, пластичности и вязкости сердцевины и высокой поверхностной твердости, работающие под действием ударных нагрузок и при отрицательных температурах.



Химический состав

Хим. элемент

Углерод (C)

Кремний (Si)

Медь (Cu), не более

Марганец (Mn)

Никель (Ni)

Фосфор (P), не более

Хром (Cr)

Сера (S), не более

%

0,17-0,24

0,17-0,37

0,30

0,30-0,60

2,75-3,15

0,025

0,60-0,90

0,025


Случайные файлы

Файл
11694.rtf
49995.rtf
26841-1.rtf
139189.rtf
91560.rtf




Чтобы не видеть здесь видео-рекламу достаточно стать зарегистрированным пользователем.
Чтобы не видеть никакую рекламу на сайте, нужно стать VIP-пользователем.
Это можно сделать совершенно бесплатно. Читайте подробности тут.