Термообработка

Задание:

1.  Выбрать  материал  одной из деталей изделия, применяемого  в энергоэнергетике, требующей термической обработки в соответствии с технологическими и эксплуатационными факторами. Сформулировать условия работы предложенной детали, исходя из эксплуатационных требований.

2.  Составить эскиз предложенной  детали с проставлением размеров  и чистоты обрабатываемый поверхностей  ( требования по твердости будут представлены преподавателем). Допускаются ориентировочные размеры деталей; измерять чиркулем на представленном сборочном чертеже и пересчитывать в соответствии с масштабом.

3.  Определить хаарактер и размеры заготовки (сортовой или листовой прокат, штамповка, поковка, отливка) с указанием механических свойств загатовки (по справочным данным), исходя из мелкосерийного характера производства.

4.  Составить принципиальную (маршрутную) технологию изготовления  детали, включая и термическую  обработку. Указать последовательность  и характер технологических операций.

5.  Указать режимы и  характер применяемой термической  обработки (с расчетом температуры  нагрева и времени выдержки, способа охлаждения). Предложить оборудование, на котором можно выполнить данную термическую обработку.

Деталь – корпус Т – до 530°С, твердость общая 240 – 260 НВ.

1. Выбор материала:

Выбираем жаропрочную низколегированную  сталь 12ХМФ.

Данная сталь теплоустойчивая перлитного класса (конструкционная теплоустойчивая). Сталь ограниченно свариваемая: рекомендуется подогрев и последующая термообработка. Поставляется в термообработанном состоянии (отожжённый, отпущенный или нормализованный с высоким отпуском) или без термической обработки. Сталь 12Х1МФ применяется: для изготовления труб пароперегревателей, трубопроводов и коллекторных установок высокого давления; для изготовления поковок для паровых котлов и паропроводов; для изготовления деталей цилиндров газовых турбин; для изготовления различных деталей, работающих при температуре до 570-585 °С; для изготовления деталей трубопроводов и трубопроводной арматуры с закалкой на воздухе или в масло и отпуском на воздухе; для изготовления деталей типа донышек, воротниковых фланцев, штуцеров, колец, патрубков, тройников и деталей прямоугольной формы для энергооборудования и трубопроводов с абсолютным давлением свыше 3,9 МПа тепловых электростанций.

Химический состав в % материала 12Х1МФ (12ХМФ): №1

Углерод (С) - 0,08-0,15

Ванадий (V) -  0.15-0.30

Кремний (Si) -  0.17-0.37

Медь (Cu), не более -  0.20

Молибден (Mo) - 0.25-0.35

Марганец (Mn) - 0.40-0.70

Никель (Ni) не более - 0.30

Фосфор (P), не более 0.025

Хром (Cr) - 0.90-1.20

Сера (S), не более 0.025

 

 

Температура критических точек:№2

Критическая точка: Mn Ar1 Ac1 Ar3 Ac3

°С:                              430 730 760 825 890

 

Механические свойства стали 12Х1МФ (12ХМФ)№3

Термообработка, состояние поставки		Сечение, мм	s0,2, МПа	sB, МПа	d5, %	Ψ, %	KCU, Дж/м2	HB
Прутки. Нормализация 960-980 °С, воздух. Отпуск 700-750 °С, воздух.
		90	255	470	21	55	98
Листы 2,3,16,18-й категорий термообработанные
		4-40	294	440-588	21		78
Поковки. Нормализация.
КП 215		<100	215	430	24	53	54	123-167
КП 215		100-300	215	430	20	48	49	123-167
КП 215		300-500	215	430	18	40	44	123-167
КП 215		500-800	215	430	16	35	39	123-167
КП 245		100-300	245	470	19	42	39	143-179
КП 245		300-500	245	470	17	35	34	143-179

 

Механические свойства стали 12Х1МФ (12ХМФ) при испытании на длительную прочность№4

 

Предел ползучести, МПа	Скорость ползучести, %/ч		t испытания,°С		Предел длительной прочности, МПа		Длит. испытания, ч	t испытания, ч
177 127 116 82 88 61		1/10000 1/100000 1/10000 1/100000 1/10000 1/10000		520 520 560 560 580 580		196 157 137 106 118 88-98	10000 100000 10000 100000 10000 100000		520 520 560 560 580 580

 

Технологические свойства теплоустойчивой  стали 12Х1МФ№5

 

Температура ковки	Начала 1240, конца 780. Сечения до 50 мм охлаждаются  в штабелях, 51-100 мм - в ящиках, 500-600 мм подвергаются низкотемпературному  отжигу.
Свариваемость	ограниченно свариваемая. Способы сварки: РДС, АДС  под газовой защитой. Рекомендуется  подогрев и последующая термообработка.
Обрабатываемость  резанием	В нормализованном  и отпущенном состоянии при НВ ? 138 и σB = 460 МПа Kυ тв.спл. = 1.50, Kυ б.ст. = 1.35

 

Жаростойкость теплоустойчивого материала 12Х1МФ (12ХМФ)№6

 

Среда	Температура, °С	Длительность испытания, ч	Глубина, мм/год
Воздух	585		0,07
Воздух	625		0,491
Воздух	650	5000	0,509-1,2

 

Физические свойства стали 12Х1МФ (12ХМФ)№7

Температура испытания, °С	20	100	200	300	400	500	600	700	800	900
Модуль  нормальной упругости, Е, ГПа	198	197	188	183	175	167	157	151
Плотность, pn, кг/см3	7800	7780	7750	7720	7680	7640	7600	7540	7540	7560
Коэффициент теплопроводности Вт/(м ·°С)		44	44	42	40	37	35	32	28	28
Уд. электросопротивление (p, НОм · м)	230	278	343	430	532	647	775	926	1087	1130
Температура испытания, °С	20- 100	20- 200	20-300	20-400	20-500	20-600	20-700	20-800	20-900	20-1000
Коэффициент линейного расширения (a, 10-6 1/°С)	12.4	13.0	13.6	14.0	14.4	14.9	14.9	14.8	12.0

 

 

Чувствительность к охрупчиванию стали 12Х1МФ (12ХМФ)№8

 

Температура, °С	Время, ч	KCU, Дж/см2
-	Исходное состояние	176
600	3000	235
625	5000	245

 

Выбираем режим термической обработки:

Выбираем закалку + отпуск. Закалку производим при температуре 950 - 1050°С. Температура отпуска примерно равна 550°С  (высокий отпуск), тогда  твердость составит примерно 240-260НВ.

   3)   Заготовка представляет собой отливку, механические свойства которой представлены в таб.№3. Материал отливки – сталь жаропрочная низколегированная 12ХМФ.

Классификация отливки по группе геометрической и качественной сложности:

Геометрическая сложность  отливки.

Внешняя конфигурация отливки  – плоские и криволинейные  поверхности с ребрами; полые  и коробчатые отливки со стенками различной толщины. Конфигурация внутренних полостей – сочетание несимметричных поверхностей.

Качественная сложность  отливки.

Требования к механическим свойствам – регламентируются ТУ. Требования к плотности литья регламентируются при необходимости. Характер последующей механической обработки – от частичной до обработки кругом. Требования к шероховатости поверхности – от умеренных до повышенных.

На технологическую сложность  отливок влияет масса, толщина стенок, габаритные размеры и геометрическая сложность. Технологическую сложность  чугунных и стальных отливок характеризует  коэффициент габаритности объема:  

 

Где l, в и Н – габаритные размеры (длина, ширина, высота, масса отливки).

Влияние способа литья и масштаба производства на точность отливки:

В производстве литых заготовок  значительный объем занимает литье  в песчано-глинистые формы, что  объясняется его технологической  универсальностью. Этот способ литья  экономически целесообразен при  любом типе производства, для деталей  любых масс, конфигураций, габаритных размеров, для получения отливок  практически из всех литейных сплавов. Изменяя способ формовки, используя  различные материалы моделей  и составы формовочных смесей, можем получить отливки с достаточно точными размерами, чистой поверхностью, не требующие последующей механической обработки по отдельным поверхностям.

При конструировании литых  деталей большая часть поверхностей остается «черной», т.е. не требует последующей  механической обработки. Однако конструктор  обязан указать допускаемые отклонения размеров на эти поверхности, согласовав их с технологом-литейщиком и технологом по механической обработке. На обрабатываемые поверхности литых деталей припуски на механическую обработку назначают: по ГОСТ 2009-55 для стальных отливок; по ГОСТ 1855-55 для чугунных отливок; по отраслевым нормалям для цветных металлов и сплавов.

Припуски на механическую обработку задают в зависимости  от способа формовки, класса точности, габаритных размеров и материала  отливки, а также от положения  обрабатываемой поверхности в форме  в момент заливки, причем припуски на обработку должны быть минимально возможными. Увеличенные припуски могут привести к появлению разнотолщинности стенок отливки, снижению качества металла из-за появления литейных дефектов. Кроме того, небольшие припуски дают возможность сохранить при механической обработке наиболее качественный слой металла — литейную корку.

Отпуск заключается в  нагреве закаленной стали до температур ниже Ас1 выдержке при заданной температуре и последующем охлаждении с определенной скоростью. Отпуск является окончательной операцией термической обработки, в результате которой, сталь получает требуемые механические свойства. Кроме того, отпуск полностью или частично устраняет внутренние напряжения, возникающие при закалке. Эти напряжения снимаются тем полнее, чем выше температура отпуска. Так, например, осевые напряжения в цилиндрическом образце из стали, содержащей 0,3 % С, в результате отпуска при 550 °С уменьшаются с 60 до 8 кгс/мм2. Так же сильно уменьшаются тангенциальные и радиальные напряжения.

Наиболее интенсивно напряжения снижаются в результате выдержки при 550 °С в течение 15–30 мин. После выдержки в течение 1,5 ч напряжения снижаются до минимальной величины, которая может быть достигнута отпуском при данной температуре.

Скорость охлаждения после  отпуска также оказывает большое  влияние на величину остаточных напряжений. Чем медленнее охлаждение, тем  меньше остаточные напряжения. Быстрое  охлаждение от 600 °С создает новые тепловые напряжения. По этой причине изделия сложной формы во избежание их коробления после отпуска при высоких температурах следует охлаждать медленно, а изделия из легированных сталей, склонных к обратимой отпускной хрупкости, после отпуска при 500–650 °С во всех случаях следует охлаждать быстро.

Высокотемпературный (высокий) отпуск проводят при 500–680 °С. Структура  стали после высокого отпуска  – сорбит отпуска. Высокий отпуск создает наилучшее соотношение  прочности и вязкости стали. Закалка  с высоким отпуском по сравнению  с нормализованным или отожженным состоянием одновременно повышает пределы  прочности и текучести, относительное  сужение, и особенно ударную вязкость (таблица 1). Термическую обработку, состоящую из закалки и высокого отпуска, называют улучшением. Улучшению  подвергают среднеуглеродистые (0,3–0,5 % С) конструкционные стали, к которым  предъявляются высокие требования к пределу текучести, пределу  выносливости и ударной вязкости. Однако износостойкость улучшенной стали вследствие ее пониженной твердости  не является высокой.