Разработка технологического процесса термической обработки поршневого пальца

 

К недостаткам хромоникелевых сталей относятся плохая обрабатываемость их резанием, обусловленная присадкой никеля, и большая склонность к отпускной хрупкости второго рода. Хромоникелевые стали подвергают как цементации с последующей термообработкой обработкой, так и улучшению. Хромоникелевые стали широко применяют в авиа- и автотракторостроении.

Температура критических точек, 0С.

Ас1	Ас3	Аr1	Ar3
730	810	615	700

 

 

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.

Механические свойства стали марки 20ХН3А представлены в таблице 2.

Таблица 2.

Механические свойства стали марки 20ХН3А

Термообработка, состояние поставки	Сечение, мм	s 0,2 , МПа	s B , МПа	d 5 , %	y , %	KCU, Дж/м 2	HB	HRC
Пруток. Закалка 820 °С, масло. Отпуск 500 °С. вода или масло.
	15	735	930	12	55	108	15
Цементация 920-950 °С. Нормализация 870-890 °С, воздух. Отпуск 630-660 °С, воздух. Закалка 790-810 °С, масло. Отпуск 180-200 °С, воздух.
	100	690	830	11	50	69	59	63

 

Анализ влияния углерода и легирующих элементов стали на технологию ее термообработки и полученные результаты : углерод, хром и никель

Углерод

Хром – очень распространенный легирующий элемент. Он повышает точку А3 и понижают точку А4 (замыкает область γ-железа). Температура эвтектоидного превращения стали (точку А1) в присутствии хрома повышается, а содержание углерода в эвтектоиде (перлите) понижается. С углеродом хром образует карбиды (Cr7C3,Cr4C) более прочные и устойчивые, чем цементит. При содержании хрома 3 - 5% в стали одновременно присутствуют легированный цементит и карбид хрома Cr7C3, а если более 5% хрома, то в стали находится только карбид хрома. Растворяясь в феррите, хром повышает его твердость и прочность и прочность, незначительно снижая вязкость. Хром значительно увеличивает устойчивость переохлажденного аустенита.

В связи с большой устойчивостью переохлажденного аустенита и длительностью его распада, изотермический отжиг и изотермическую закалку хромистой стали проводить нецелесообразно.

Хром значительно уменьшает критическую скорость закалки, поэтому хромистая сталь обладает глубокой прокаливаемостью. Температура мартенситного превращения при наличии хрома снижается. Хром препятствует росту зерна и повышает устойчивость против отпуска. Поэтому отпуск хромистых сталей проводится при более высоких температурах по сравнению с отпуском углеродистых сталей. Хромистые стали подвержены отпускной хрупкости и поэтому после отпуска детали следует охлаждать быстро (в масле).

Карбидообразующими элементами являются хром. При растворении карбидообразующих элементов в цементите образующиеся карбиды называются легированным цементитом. При повышении содержания карбидообразующего элемента образуются самостоятельные карбиды данного элемента с углеродом, так называемые простые карбиды, например, Cr7C3, Cr4C, Mo2C. Все карбиды очень тверды (HRC 70 - 75) и плавятся при высокой температуре (Cr7C3 примерно при 1700°С).

Введение легирующих элементов оказывает влияние на перлитное превращение. Температура перлитного превращения под влиянием различных легирующих элементов может понижаться или повышаться, а концентрация углерода в перлите уменьшается-. В связи с этим точка S на диаграмме Fe—Fe3C понижается или повышается и одновременно сдвигается влево. Следовательно, при введении легирующих элементов происходит смещение равновесных точек на диаграмме Fe—Fe3C.

При наличии карбидообразующих элементов кривая изотермического распада не сохраняет свой обычный С-образный вид, а становится как бы двойной С-образной кривой. На такой кривой наблюдаются две зоны минимальной устойчивости аустенита и между ними – зона максимальной устойчивости аустенита. Верхняя зона минимальной устойчивости аустенита расположена в интервале температур 600 - 650°С. В этой зоне происходит распад переохлажденного аустенита с образованием феррито-цементитной смеси.

Нижняя зона минимальной устойчивости аустенита расположена в интервале температур 300 - 400°С. В этой зоне происходит распад переохлажденного аустенита с образованием игольчатого троостита.

 

Микроструктура игольчатого троостита

 

Необходимо иметь в виду, что карбидообразующие элементы только в том случае повышают устойчивость аустенита, если они растворены в аустените. Если же карбиды находятся вне раствора в виде обособленных карбидов, то аустенит, наоборот, становится менее устойчивым. Это объясняется тем, что карбиды являются центрами кристаллизации, а также тем, что наличии нерастворенных карбидов приводит к обеднению аустенита легирующим элементом и углеродом.

При большом содержании хрома в стали находятся специальные карбиды хрома. Твердость такой стали при нагревании до более высокой температуры 400 - 450°С почти не изменяется. При нагревании до более высокой температуры (450 - 500°С) происходит повышение твердости.

Никель

 

 

 

 

 

 

Сталь марки  15Х: конструкционная легированная, хромистая по

ГОСТ 4543 .

 

 Химический состав стали марки 15Х представлен в таблице 3.

Таблица 3

Химический состав марки 15Х, %

 

C	Si	Mn	Ni	S	P	Cr	Cu
0.12 - 0.18	0.17 - 0.37	0.4 - 0.7	до   0.3	до   0.035	до   0.035	0.7 - 1	до   0.3

 

Температура критических точек, 0С.

 

Назначение: втулки, пальцы, шестерни, валики, толкатели и другие цементуемые детали, к которым предъявляется требование высокой поверхностной твердости при невысокой прочности сердцевины, детали, работающие в условиях износа при трении.

Механические свойства стали марки 15Х представлены в таблице 4.

Таблица 4.

Механические свойства стали марки 15Х при температуре 20oС

 

Сортамент	Размер	Напр.	sв	sT	d5	y	KCU	Термообработка
-	мм	-	МПа	МПа	%	%	кДж / м2	-
Трубы холоднодеформир., ГОСТ 8733-74			412		19
Пруток, ГОСТ 4543-71	Ø- 15		690	490	12	45	690	Закалка 880oC, вода, Закалка 770 - 820oC, вода, Отпуск 180oC, воздух,
Поковки	до 100		390	195	26	55	590	Нормализация
Поковки	100 - 300		390	195	23	50	540	Нормализация

 

4 Выбор и обоснование выбора операций термообработанной детали

 

1. Последовательность операций предварительной и окончательной термообработки детали 

Поршневые пальцы работают при больших скоростях скольжения и средних давлениях, поэтому основным требованием, предъявляемым к легированным конструкционным сталям, является сочетание высокой прочности, твердости и вязкости. Наряду с этим они должны иметь хорошие технологические и эксплуатационные свойства и быть дешевыми. ВВЕДЕНИЕ в сталь легирующих элементов само по себе уже улучшает ее механические свойства.

Для получения после цементации и последующей термической обработки высокой твердости поверхности и пластической сердцевины детали изготавливают из низкоуглеродистых сталей 15 и 20. Получающаяся после цементации и последующей термической обработки твердая и прочная сердцевина у сталей с повышенным содержанием углерода предохраняет цементованный слой от продавливания при больших предельных нагрузках. Это позволяет снизить глубину цементованного слоя, т.е. сократить длительность цементации.

Хромистые стали с низким содержанием углерода подвергают цементации с последующей термической обработкой, а со средним и высоким содержанием углерода – улучшению (закалке и высокому отпуску)

Доэвтектоидные стали при закалке нагревают до температуры на 30-50С выше верхней критической точки Ас3. При таком нагревании исходная феррито-перлитная структура превращается в аустенит, а после охлаждения со скоростью больше критической образуется структура мартенсита. Скорость охлаждения оказывает решающее влияние на результат закалки. Преимуществом масла является то, что закаливающаяся способность не изменяется с повышением температуры масла.

Масло недостаточно быстро охлаждает при 550-650, что ограничивает его применение только тех сталей, которые обладают небольшой критической скоростью закалки.

2. Режим операций предварительной и окончательной термообработки деталей (температура нагрева и микроструктура в нагретом состоянии, охлаждающая среда)

 

Последовательность операций обработки поршневого пальца, изготовленного из стали 15Х:

Отливка – цементация – механическая обработка – закалка – высокий отпуск – механическая обработка;

В результате длительной выдержки при высокой температуре цементации происходит перегрев, сопровождающийся ростом зерна. Для получения высокой твердости цементованного слоя и достаточно высоких механических свойств сердцевины, а также для получения в поверхностном слое мелкоигольчатого мартенсита, деталь после цементации подвергаем последующей термической обработке.

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.

Первая – закалка от 850-900С; Вторая от 750-800 и отпуск при 150-170В результате первой закалки улучшается структура низкоуглеродистой сердцевины (перекристаллизация). При этой закалке структура поверхностного слоя тоже улучшается, так как быстрым охлаждением устраняется цементитная сетка. Но для науглероживания поверхностного слоя температура 850-900 является слишком высокой и поэтому не устраняет перегрева. После цементации деталь поступает на механическую обработку.

Основная цель закалки стали это получение высокой твердости, и прочности что является результатом образования в ней неравновесных структур – мартенсита, троостита, сорбита. Заэвтектоидную сталь нагревают выше точки Ас1 на 30-90. Нагрев заэвтектоидной стали выше точки Ас1 производится для того, чтобы сохранить в структуре закаленной стали цементит, является еще более твердой составляющей, чем мартенсит (температура заэвтектоидных сталей постоянна и равна 760 – 780 )

Вторая закалка от 750-780 является нормальной закалкой для науглероженного слоя – устраняется перегрев и достигается высокая твердость слоя.

Отпуск при 150- 170 проводится для снятия внутренних напряжений. После такого режима термической обработки структура поверхностного слоя –мелкоигольчатый мартенсит с вкраплениями избыточного цементита, а сердцевины – мелкозернистый феррит+перлит.

Механические свойства стали после термической обработки:

-Твердость в сердцевине  повысилась до НВ 212;

HRC 56-64 (пов.), НВ 212 (серд.)

-Предельная прочность () равна 620 Н/;

5 Выбор и характеристика  выбранного типа производства

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Список используемой литературы

 

1. ОК 021-95 Технологический классификатор деталей машиностроения и приборостроения (ОТКД).
2. ОСТ 23.3.13 -86

 

 Пальцы поршневые тракторных и комбайновых дизелей

3. ГОСТ 1050-74 СТАЛЬ УГЛЕРОДИСТАЯ КАЧЕСТВЕННАЯ КОНСТРУКЦИОННАЯ

4. ГОСТ Р 53443-2009 Автомобильные транспортные средства. Пальцы поршневые двигателей. Общие технические требования и методы испытаний