Разработка технологического процесса термической обработки детали

      Введение ………………………………………..…………………………………3стр

1. Привести эскиз детали, описать область применения и условия работы, сформулировать требования к эксплуатационным характеристикам и механическим свойствам детали. ……………………..……………………………….………10стр                                                              

2. Расшифровать марку заданной стали. Привести химический состав, характеристику по всем видам классификаций: химическому составу, металлургическому качеству, назначению, структуре в отожженном и нормализованном состоянии. Указать возможные виды поставок и описать структуру данной стали в исходном (равновесном) состоянии. Область применения данной стали. Описать влияние углерода и легирующих элементов заданной стали на положение критических точек, рост зерна аустенита, закаливаемость и прокаливаемость; на количество остаточного аустенита и на процессы отпуска…………………………………………………………………………...22стр

3. Выбрать метод получения  и обработки заготовки (литье,  ковка, или штамповка, прокат, механическая обработка). Выбрать  и обосновать последовательность  операций предварительной термообработки деталей, увязав с методами получения термообработки деталей. Привести график режима предварительной термообработки с указанием начальной и конечной структуры……………………………………………....33стр

4. Выбрать и обосновать  последовательность операций окончательной термообработки деталей (температура нагрева и микроструктура в нагретом состоянии, охлаждающая среда)………………………………………………………….…………………..44стр

5. Характеристика и технология  химикотермической обработки. Контроль качества………………………………………………………………..………….55стр

6. Описать микроструктуру  и механические свойства материала  детали (в сердцевине и на поверхности)  после окончательной термической  и химикотермической обработки…………………………………………………………………………66стр

7. Список литературы……………………………………………………………77стр

8. Приложение…………………………………………………..………………..88стр

Вариант №8.

Разработать технологический процесс термической  обработки стальной детали : шлицевой вал.

Марка стали: 20ХН

Твердость после окончательной термообработки: HRC 58-60 (пов н.ц.), HB 230 (сердцевина)

Введение. 
Термической обработкой называют совокупность операций нагрева металла до определенной температуры, выдержки при этой температуре и охлаждения с определенной скоростью. Целью термической обработки является придание металлу необходимых механических и физических свойств в результате изменения внутреннего строения (структуры) металла. 
Термической обработке подвергают большинство заготовок (полуфабрикатов) и изделий из стали и цветных сплавов. Именно термическая обработка позволяет изменять структуру металла в нужном направлении и позволяет получать необходимый уровень твердости, прочности, пластичности и других свойств. 
Режим термической обработки характеризуют следующие основные параметры: скорость и режим нагрева, максимальная температура нагрева, время выдержки в печи при температуре нагрева, и скорость и режим охлаждения. 
Термическая обработка является одним из наиболее распространенных в современной технике способов получения заданных свойств металла. Термическую обработку используют либо в качестве промежуточной операции для улучшения обрабатываемости полуфабриката давлением, резанием и др., либо как окончательную операцию технологического процесса, обеспечивающую заданный уровень физико-механических свойств детали.  
Основные виды термической обработки: отжиг, нормализация, закалка, отпуск, старение. 
Режим термической обработки характеризуют следующие основные параметры: скорость и режим нагрева, максимальная температура нагрева, время выдержки в печи при температуре нагрева, и скорость и режим охлаждения. Термическая обработка является одним из наиболее распространенных в современной технике способов получения заданных свойств металла. Термическую обработку используют либо в качестве промежуточной операции для улучшения обрабатываемости полуфабриката давлением, резанием и др., либо как окончательную операцию технологического процесса, обеспечивающую заданный уровень физико-механических свойств детали.  
Основные виды термической обработки: отжиг, нормализация, закалка, отпуск, старение. 
I. Отжиг – термическая обработка, заключающаяся в нагреве металла до определенной температуры, выдержки и охлаждении с отключенной печью (т.е. с минимально возможной скоростью, порядка 50-100 град/час).  
Виды отжига: 
Полный отжиг, т.е. нагрев в область аустенита. Полному отжигу подвергают доэвтектоидные стали (со структурой перлит + феррит). При нагреве выше критической точки Ас3 происходит полная перекристаллизация стали и соответственно образование структуры аустенита. Температура нагрева должна превышать точку Ас3 на 30-50 град. В этом случае мы получим структуру мелкозернистого аустенита. При несоблюдении такого интервала перегрева может сохраниться часть феррита (при недогреве), а при перегреве произойдет рост зерна аустенита. При последующем медленном охлаждении в результате протекания эвтектоидного превращения происходит распад аустенита с образованием структуры перлита и феррита. Если до отжига в виду определенных причин структура была крупнозернистой (сталь с такой структурой обладает неудовлетворительными механическими свойствами), то при фазовой перекристаллизации образуется структура мелкозернистого аустенита, которая при последующем охлаждении превращается в мелкозернистую структуру перлита и феррита.

Неполный отжиг доэвтектоидной стали. Если ферритная составляющая удовлетворительна, то проводят более экономичную операцию – неполный отжиг. При этом нагрев производят до температуры выше Ас1, но ниже Ас3. При этом произойдет перекристаллизация только перлитной составляющей.  
Неполный отжиг заэвтектоидной стали. Заэвтектоидные стали подвергают неполному отжигу, так как полный отжиг приводит к появлению цементитной сетки по границам зерен пластинчатого перлита, что приводит к резкому снижению пластичности стали. Неполный отжиг, то есть нагрев стали выше температуры Ас1 на 30-50 град – основной способ получения структуры зернистого перлита. Неполный отжиг заэвтектоидных сталей называют также сфероидизацией. Структурой зернистого перлита должны обладать инструментальные стали. Структура зернистого перлита обеспечивает хорошую обрабатываемость режущим инструментом заготовки (например, на токарном, фрезерном станке). Кроме того, структура зернистый перлит имеет малую склонность к перегреву (росту зерна аустенита) при окончательной термообработке инструмента - закалке. 
Изотермический отжиг. В заводской практике с целью экономии времени чаще проводят изотермический отжиг. Сталь нагревают выше критической точки, быстро охлаждают до температуры, лежащей на 50-100 град ниже равновесной точки А1 и выдерживают до полного распада аустенита. Поскольку температуру контролировать легче, чем скорость охлаждения, такой отжиг дает более стабильные результаты. В настоящее время изотермический отжиг применяют чаще, чем отжиг с непрерывным охлаждением, особенно для легированных сталей, так как это сокращает продолжительность операции. 
Диффузионный отжиг (гомогенизация) – это нагрев стали до высоких температур (1000 – 1100 град), длительная выдержка и охлаждение с печью. Такой отжиг необходим литой стали, которая обычно характеризуется неоднородностью состава, дендритной и зональной ликвацией. Нагрев до высоких температур и выдержка при них приводят к устранению дендритной ликвации. После такой обработки структура стали становится крупнозернистой. Поэтому после гомогенизации необходим обычный отжиг для исправления структуры. 
Рекристаллизационный отжиг. Такой отжиг проводят для восстановления структуры и свойств наклепанного металла.

Отжиг для снятия внутренних напряжений без изменения структуры  металла. 
II. Нормализация – это термическая операция, которая заключается в нагреве стали до аустенитного состояния (выше А3 или выше Аcm) и охлаждение на воздухе.  
Нормализацию можно рассматривать как разновидность отжига второго рода.  
При нормализации охлаждение проводят на спокойном воздухе. При этом скорость охлаждения составляет 200–250 град/час. Нормализация – более дешевая операция, чем отжиг, т.к. печи используют только для нагрева и выдержки при температуре нормализации. Охлаждение осуществляют на воздухе, вне печи. 
Отжиг и нормализация обычно являются первоначальными операциями термической обработки, цель которых – устранить дефекты предыдущих операций горячей обработки (литья и ковки), или подготовить структуру к последующим технологическим операциям (например, обработке резанием или закалке). Однако довольно часто отжиг, а особенно нормализация, являются окончательной термической обработкой. Это происходит в том случае, когда после отжига или нормализации сталь имеет свойства, удовлетворительные с точки зрения эксплуатации детали, и не требуется дальнейшего их улучшения с помощью закалки и отпуска. 
Для низкоуглеродистых нелегированных сталей разница в свойствах между отожженным и нормализованным состояниями практически отсутствует. Эти стали рекомендуется подвергать не отжигу, а нормализации. Для среднеуглеродистых сталей (0,3 – 0,5%С) различие в свойствах стали после отжига и нормализации существенно. В этом случае нормализация не может заменить отжига. Но для этих сталей (если речь не идет о деталях ответственного назначения) нормализация может заменить более дорогую термическую обработку – улучшение. Нормализация в этом случае придает стали по сравнению с отожженным состоянием более высокую прочность, но по сравнению с улучшенным состоянием нормализованная сталь имеет несколько меньшую пластичность и вязкость. 
 
III. Закалка – это термическая операция, которая заключается в нагреве сплава до определенной температуры и охлаждении с высокой скоростью. В зависимости от того происходит ли в сплаве полиморфное превращение, цель закалки различна. Если в сплаве не протекает полиморфного превращения, закалкой можно зафиксировать при комнатной температуре высокотемпературное структурное состояние. Если в сплаве протекает полиморфное превращение, что происходит, например, в углеродистой стали, закалку применяют для получения другой структуры – мартенсита. 
Закалка углеродистой стали – это термическая операция, которая заключается в нагреве стали выше температуры фазового превращения, выдержке при этой температуре и охлаждении с высокой скоростью, выше некоторой критической.  
Критическая скорость охлаждения – это минимальная скорость, охлаждая с которой в стали не происходит диффузионного распада аустенита с образованием структур перлитного типа, таких как перлит, сорбит, тростит, а также бейнит. При охлаждении со скоростью выше критической в стали происходит бездиффузионное (сдвиговое) превращение. Образовавшаяся в результате такого превращения структура названа в честь ученого-металлурга Мартенса мартенсит.  
Мартенсит - это пересыщенный твердый раствор углерода в феррите. Мартенсит – это неравновесная (метастабильная) структура, которая характеризуется максимальной твердостью и прочностью (для данной марки стали), но пластичность при этом практически равна нулю. 
IV. Отпуск – заключительная термическая операция, состоящая в нагреве закаленного сплава ниже температуры фазового превращения (для углеродистой стали это ниже температуры Ас1), выдержке и охлаждении на воздухе. Целью отпуска является получение более равновесной структуры, снятие внутренних напряжений, повышение вязкости и пластичности. 
Различают три вида отпуска: 
1. Низкий отпуск углеродистой стали проводят при температуре 150-200⁰С. Целью низкого отпуска является снижение внутренних напряжений и некоторое уменьшение хрупкости при сохранении высокой твердости, прочности и износостойкости изделий. Структура стали в результате низкого отпуска представляет собой мартенсит отпуска или мартенсит отпуска и вторичный цементит. Закалке и низкому отпуску подвергают режущий и мерительный инструмент, а так же изделия, которые должны обладать высокой твердостью и износостойкостью (например, штампы для холодной штамповки или валки прокатных станов). Закалке и низкому отпуску подвергают стали с 0,7 – 1,3 %С. 
2. Средний отпуск проводят при температуре 350 - 450 град С. При этом происходит некоторое снижение твердости при значительном увеличении предела упругости и улучшения сопротивляемости действию ударных нагрузок. Структура стали после среднего отпуска – тростит отпуска (дисперсная механическая смесь феррита и зернистого цементита). Закалку и средний отпуск проводят для пружин, рессор, ударного инструмента (Средний отпуск применяют для стали с содержанием углерода 0,5 – 0,65 %). 
3. Высокий отпуск проводят для среднеуглеродистых сталей с содержанием углерода 0,3 – 0,45%. Он заключается в нагреве закаленной стали до температуры 550 - 650 ⁰С. Цель высокого отпуск – достижение оптимального сочетания прочности, пластичности и вязкости. Структура стали после закалки и высокого отпуска – сорбит отпуска (мелкая смесь феррита и зернистого цементита, более крупного по сравнению с цементитом тростита отпуска). Термическая обработка, состоящая из закалки и последующего высокого отпуска, является основным видом термической обработки изделий из конструкционных сталей, подвергающихся в процессе эксплуатации действию высоких напряжений и ударных, часто знакопеременных нагрузок. Закалку с последующим высоким отпуском называют улучшением.

Химико-термическая обработка (ХТО) стали - совокупность операций термической обработки с насыщением поверхности изделия различными элементами (углерод, азот, алюминий, кремний, хром и др.) при высоких температурах.Поверхностное насыщение стали металлами (хром, алюминий, кремний и др.), образующими с железом твердые растворы замещения, более энергоемко и длительнее, чем насыщение азотом и углеродом, образующими с железом твердые растворы внедрения. При этом диффузия элементов легче протекает в решетке альфа-железо, чем в более плотноупакованной решетке гамма-железо.Химико-термическая обработка повышает твердость, износостойкость, кавитационную, коррозионную стойкость. Химико-термическая обработка, создавая на поверхности изделий благоприятные остаточные напряжения сжатия, увеличивает надежность, долговечность.

Цементация стали - химико-термическая обработка поверхностным насыщением малоуглеродистой (С<0,2%) или легированных сталей при температурах 900...950°С - твердым (цементация твердым карбюризатором), а при 850...900°С - газообразным (газовая цементация) углеродом с последующей закалкой и отпуском. Цель цементации и последующей термической обработки - повышение твердости, износостойкости, также повышением пределов контактной выносливости поверхности изделия при вязкой сердцевине, что обеспечивает выносливость изделия в целом при изгибе и кручении.Детали, предназначенные для цементации, сначала очищают. Поверхности не подлежащие науглероживанию, покрывают специальными предохранительными противоцементными обмазками.

1-ый  состав простейшей обмазки: огнеупорная  глина с добавлением 10% асбестового  порошка, вода. Смесь разводят до консистенции густой сметаны и наносят на нужные участки поверхности изделия. После высыхания обмазки можно производить дальнейшую цементацию изделия.

2-ой  состав применяемой обмазки: каолин - 25%, тальк - 50%: вода - 25%. Разводят эту смесь жидким стеклом или силикатным клеем.

Цементацию  делают после полного высыхания  обмазки. Вещества, которые входят в  состав обмазки, называют карбюризаторами. Они бывают твердые, жидкие и газообразные. В условиях домашней небольшой мастерской удобнее осуществлять цементацию с помощью пасты. Это цементация в твердом карбюризаторе. В состав пасты входят: сажа - 55%, кальцинированная сода - 30%, щавелевокислый натрий - 15%, вода для образования сметанообразной массы. Пасту наносят на нужные участки изделия, дают высохнуть. Затем изделие помещают в печь, выдерживая при температуре 900-920°С в течение 2-2,5 часов. При использовании такой пасты цементация обеспечивает толщину науглероженного слоя 0,7-0,8 мм.

Жидкостная цементация также возможна в небольшой мастерской при наличии печи-ванной, в которой и происходит науглероживание инструментов и других изделий. В состав жидкости входят: сода - 75-85%, 10-15% хлористого натрия, 6-10% карбида кремния. Печь-ванну наполняют этим составом и погружают изделие или инструмент. Процесс протекает при температуре 850-860°С в течение 1,5-2 часов; толщина науглероженного слоя достигает при этом 0,3-0,4 мм.

Газовую цементацию производят в смеси раскаленных  газов, содержащих метан, окись углерода в специальных камерах при температуре 900-950°С и только в производственных условиях. После цементации детали охлаждают вместе с печью, затем закаляют при 760-780°С е окончательным охлаждением в масле.

Азотирование стали - химико-термическая обработка поверхностным насыщением стали азотом путем длительной выдержки ее при нагреве до б00...650°С в атмосфере аммиака NН₃. Азотированные стали обладают очень высокой твердостью (азот образует различные соединения с железом, алюминием, хромом и другими элементами, обладающие большей твердостью, чем карбиды). Азотированные стали обладают повышенной сопротивляемостью коррозии в таких средах, как атмосфера, вода, пар.Азотированные стали сохраняют высокую твердость, в отличие от цементованных, до сравнительно высоких температур (500...520°С). Азотированные изделия не коробятся при охлаждении, так как температура азотирования ниже, чем цементации. Азотирование сталей широко применяют в машиностроении для повышения твердости, износостойкости, предела выносливости и коррозионной стойкости ответственных деталей, например, зубчатых колес, валов, гильз цилиндров.

Нитроцементация (цианирование) стали - химико-термическая обработка с одновременным поверхностным насыщением изделий азотом и углеродом при повышенных температурах с последующими закалкой и отпуском для повышения износо- и коррозионной устойчивости, а также усталостной прочности. Нитроцементация может проводиться в газовой среде при температуре 840..860°С - нитроцианирование, в жидкой среде - при температуре 820...950°С - жидкостное цианирование в расплавленных солях, содержащих группу NaCN.

Нитроцементация эффективна для инструментальных (в частности, быстрорежущих) сталей; она используется для деталей  сложной конфигурации, склонных к  короблению. Однако, поскольку этот процесс связан с использованием токсичных цианистых солей, он не нашел широкого распространения.

Борирование стали - химико-термическая обработка насыщением поверхностных слоев стальных изделий бором при температурах 900...950°С. Цель борирования - повышение твердости, износостойкости и некоторых других свойств стальных изделий. Диффузионный слой толщиной 0,05...0,15 мм, состоящий из боридов FeB и Fе₂В, обладает весьма высокой твердостью, стойкостью к абразивному изнашиванию и коррозионной стойкостью. Борирование особенно эффективно для повышения стойкости (в 2...10 раз) бурового и штампового инструментов.

Цинкование (Zn), алюминирование (Аl), хромирование (Сr), силицирование (Si) сталей выполняются  аналогично цементации с целью придания изделиям из стали некоторых ценных свойств: жаростойкости, износостойкости, коррозионной устойчивости. В настоящее время все большее распространение получают процессы многокомпонентного диффузионного насыщения.