Нормализация → закалка → отпуск
23
2.3 Параметры режима технологического процесса нормализации стали40.
Для шлицевого вала в качестве предварительной термической обработки назначаем нор-мализацию. Основные параметры ее режима: температура нагрева и продолжительность вы-держки при этой температуре.
Температуру нагрева стали 40 для нормализации определяем по диаграмме Fe-Fe3C (ри-сунок2.2, 2.3),а продолжительность выдержки по графику (рисунок 2.5).
Рисунок 2.3 – Диаграмма состояния железоуглеродистых сплавов (Fe-Fe3C)
t 0
1200
1130 0
Е
F
1100
Аустенит
1000
А1
910
Интервал закалочных
температур
А+Ц
G
800 А3
723 0
А+Ф
Ф еррит
Р
S
А1
K
700
А1
Ф +П
0,2
0,4 0,6 0,8 1,0
1,2 1,4 1,6 1,8 2,0 2,2 2,4 2,6 % ,С
Рисунок 2.4– Нижняя часть диаграммы Fe-Fe3C (участок стали) с указанием интервала температур нагрева для закалки
24
,
мин/
мм
10
9
8
3
7
2
6
5
1
4
3
2
1
0
200 300
400 500
600 700 800 900 1000
Т
,
С
Рисунок 2.5 – Нормы времени нагрева и выдержки углеродистой стали (мин/1мм толщины) для образцов формы: I -цилиндрической, 2, - квадратной, 3 - плоской
Назначаем следующие параметры режима процесса нормализации: температура нагрева 8500С, время выдержки – 60 мин, среда охлаждения – воздух.
После нормализации получаем структуру феррит + перлит тонного строения, без внут-ренних напряжений (рисунок 6).
Рисунок 2.6 – Структура стали 40 после нормализации
2.4 Параметры режима технологического процесса закалки стали 40.
Целью закалки в нашем случае является получения структуры мартенсит.
Основные параметры технологического процесса закалки является температура нагрева, время выдержки при этой температуре и скорость охлаждения.Поскольку сталь 40 является доэвтектоидной, то ее необходимо греть по режиму полной закалки доаустенитного состояния.
Температуру нагрева определяем по диаграмме Fe-Fe3C выше точки АС3линия
GS.(рисунок 2.2, 2.4):
Тдо3= АС3+(30…500С,
Тдо3= 800+50 = 8500С.
25
Продолжительность нагрева зависитот типа нагревательного устройства,теплопровод-ности металла, формы и размеров сечения, а также порядка укладки их в печи.
Время нагрева и продолжительность (выдержки)определяем по графику(рисунок 2.7).
,
мин/
мм
10
9
8
3
7
2
6
5
1
4
3
2
1
0
200 300
400 500
600 700 800 900 1000
Т
,
С
Рисунок 2.7 – Нормы времени нагрева и выдержки углеродистой стали (мин/1мм толщины) для образцов формы: I - цилиндрической, 2, - квадратной, 3 - плоской
Для заданной температуры нагрева 8500С и цилиндрической формы шлицевого вала определяем коэффициент нагрева τ = 1 мин/мм. Затем этот коэффициент умножаем на диаметр шлицевого вала и в результате получаем время выдержки детали в печи:
t =1 мин/мм х 60 мм = 60 мин.
Скорость охлаждения оказывает большое влияние на структуру и механические свой-ства стали. Это влияние на процесс перестройки структуры можно проследить по диаграмме изотермического распада аустенита (рисунок 2.8).
Рисунок 2.8 – Диаграмма изотермического распада аустенита:
I - линия начала распада аустенита, 2 - линия конца распада аустенита; М н - начало образования мартенсита, М к - конец образования мартенсита,
vKP - вектор критической скорости охлаждения.
26
Если охлаждать углеродистую сталь в интервале температур 650…400°С со скоростью менее 100°С/с, то углерод будет выходить из кристаллической решетки в виде пластин цемен-тита, которые чередуются с пластинками феррита (малоуглеродистый раствор углерода в Fea). Полученная структура называется сорбит закалки - это смесь Ф + Ц (HRC30). При увеличении скорости охлаждения до 200°С/с пластины феррита и цементита не успевает вырасти, получен-ная смесь называется троостит закалки, её твёрдость HRC45.Увеличение скорости до значений более 250°С/с дает бездиффузионный процесс перестройки аустенита в мартенсит. Наимень-шая скорость охлаждения при закалке, при которой в структуре стали образуется мартенсит, называется критической скоростью охлаждения νкр.
Таким образом для получения структур, таких как сорбит закалки с твердостью НRС30 ско-рость охлаждения составляет 1000С/с; для троостита закалки с твердостью НRС45 - скорость охлаждения - 2000С/с; для мартенсита с твердость НRС 65 скорость охлаждения - 2500 С/с.
Определив, критическую скорость, vKP, подбираем закалочную среду, которая имеет большое значения для успешного проведения термической обработки. Наиболее распростра-ненные закалочные среды: вода, 5…10% водный раствор едкого натрия или поваренной соли и минеральные масло. Для закалки углеродистых сталей рекомендуются применять воду с тем-пературой 180С, а для закалки большинства легированных сталей – масло.
Назначаем следующие параметры режима процесса закалки стали 40: температура нагрева 8500С, время выдержки – 60 мин, скорость охлаждения – 2500С/с.
В результате закалки стали мы получаем мартенситную микроструктуру. Мартенсит(от имени немецкого металлурга Адольфа Мартенса; AdolfMartens, 1850-1914) это основная структурная составляющая закалённой стали, которая представляет собой перенасыщенное углеродом и другими примесямиα-железо такой же концентрации, как и у исходного аустени-та. Образуется в результате ускоренного охлаждения аустенита (рисунок 2.9).
Рисунок 2.9 – Схема структурных превращений при закалке доэвтектоидной стали 40
Мартенсит обладает высокой твердостью (в пределах 55….60 НRС или НВ до 700 МПа) и хрупкостью. Под микроскопом имеет светлое игольчатое строение. (рисунок 2.10)
27
Рисунок 2.10 – Микроструктура мартенсита(фото, схема)
Таким образом, эта структура соответствует наиболее высокой твердости стали.
2.5 Параметры режима технологического процесса отпуска стали 40
Основными параметрами режима процесса отпуска является температура нагрева стали и время выдержки
Температуру нагрева для отпуска стали 40 (содержание углерода 0,4%) определяем по графику (рисунок 2.11), которая составляет 4800С, что соответствует высокому отпуску.
Рисунок 2.11 –График зависимости твердости от температуры отпуска (по Г.В.Курдюмову)
Время выдержки в печи при отпуске для стали 40 шлицевого вала с диаметром 60 мм определяем по графику (рисунок 2.7), которая составляет 132 мин.
Назначаем следующие параметры режима процесса отпуска стали 40: температура нагрева 5000С, время выдержки – 132 мин, среда охлаждения – воздух.
Таким образом, в результате среднего отпуска получаем микроструктуру соорбит отпус-ка (рисунок 2.12).
28
Рисунок 2.12 – Микроструктура троостит отпуска (фото, схема)
Сорбит (по фамилии английского ученого К.Г.Сорби) отпуска является более устой-чивой структурой закаленной стали. Этодисперсная механическая смесь феррита и цементита. Образуется из мартенсита закалки в результате его распада при нагреве до температуры5000С (высокий отпуск).Он обеспечивает повышение предела выносливости, ударной вязкости, пла-стичности, снижение хрупкости и снятие внутренних напряжений. Механические свойства:
НRC 35…45 , σв= 750…900 МПа , δ = 4…10%.