Термическая обработка детали

СОДЕРЖАНИЕ

 

ВВЕДЕНИЕ 3

ГЛАВА 1. ТЕРМИЧЕСКАЯ  ОБРАБОТКА СТАЛИ. ОТЖИГ 6

ГЛАВА 2. ТЕРМИЧЕСКАЯ  ОБРАБОТКА СТАЛИ. ЗАКАЛКА 16

ГЛАВА 3. ТЕРМИЧЕСКАЯ  ОБРАБОТКА СТАЛИ. ОТПУСК 25

ГЛАВА 4. МЕХАНИЧЕСКАЯ ОБРАБОТКА ДЕТАЛИ РЕЗАНИЕМ 29

ЗАКЛЮЧЕНИЕ 34

СПИСОК ИСПОЛЬЗУЕМЫХ ИСТОЧНИКОВ 35

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ВВЕДЕНИЕ

 

Термическая обработка  металлов и сплавов — процесс тепловой обработки металлических изделий, целью которого является изменение структуры и свойств в заданном направлении.

Среди основных видов термической  обработки следует отметить:

Отжиг (гомогенизация и нормализация), целью которого является получение однородной зерненой микроструктуры и растворение включений. Последующее охлаждение является медленным, препятствующим образованию неравновесных структур типа мартенсита.

Закалку проводят с повышенной скоростью охлаждения с целью получения неравновесных структур типа мартенсита. Критическая скорость охлаждения, необходимая для закалки зависит от материала.

Отпуск необходим для снятия внутренних напряжений, внесённых при закалке. Материал становится более пластичным при некотором уменьшении прочности.

Инструментальные  стали марки У-10.

Назначение - инструмент, работающий в условиях, не вызывающих разогрева  режущей кромки: метчики ручные, рашпили, надфили, пилы для обработки  древесины, матрицы для холодной штамповки, гладкие калибры, топоры.

Деталь втулка.

Втулка — деталь машины, механизма, прибора цилиндрической или конической формы (с осевой симметрией), имеющая осевое отверстие, в которое входит сопрягаемая деталь.

Втулка - сменяемая деталь механизма, через которую проходят вал, стержень или поршень, имеющие вращательное или прямолинейное поступательно-возвратное движение, вследствие чего втулка изнашивается. Обычное сечение втулки—кольцеобразное. На паровозах их ставятся в тягах тормозного механизма, рессорного подвешивания, кулисного и дышлового механизма, в паровых цилиндрах и золотниковых полостях. В указанных механизмах она облегчает достижение требуемой точности и удешевляет ремонт вследствие того, что все операции по отделке и термической обработке втулки или хромированию значительно проще, чем обработка крупной тяги или цилиндра.

В зависимости от назначения применяют втулки подшипниковые, закрепительные, переходные и др.

Втулка переходная, используемая на металлообрабатывающем оборудовании для установки инструмента с разными конусами Морзе.

На токарном станке втулка переходная используется для установки  инструмента в заднюю бабку, неподвижного центра в переднюю бабку.

Для фрезерного станка втулка переходная - основной переходный элемент  позволяющий значительно снизить  затраты на технологическую подготовку производства.

Даны размеры втулки:

 

 

 

 

 

 

 

ГЛАВА 1. ТЕРМИЧЕСКАЯ ОБРАБОТКА СТАЛИ. ОТЖИГ

 

Традиционно сложившееся  понятие «отжиг» охватывает несколько отличающихся друг от друга по режиму операций термообработки, объединенных единой целью — привести сталь в термодинамически равновесное состояние с минимальной плотностью дислокации (10⁶—10⁷ см"²), по возможности низкой твердостью и высокой пластичностью.

Наиболее распространенной разновидностью отжига является обыкновенный отжиг, который производится с целью умягчить сталь перед механической обработкой и подготовить ее структуру к окончательной обработке, состоящей из закалки и отпуска. Этому отжигу подвергаются имеющие неблагоприятную грубозернистую структуру литые заготовки, а также заготовки, прошедшие ковку, штамповку и другие виды обработки давлением, также нуждающиеся в исправлении структуры.

В ряде случаев, когда получающиеся после отжига свойства обеспечивают долголетнюю службу детали, он оказывается, окончательным видом термообработки. При обыкновенном отжиге сталь нагревается до температуры на 30—50°С выше линии 0SК. выдерживается при этой температуре до полного завершения структурно-фазовых превращений и охлаждается с очень малой скоростью (менее 100 °С/ч) в камере печи с отключенными источниками теплоты (рис.2).                       

Рис.2 Температура нагрева  стали при основных видах термообработки в зависимости от содержания углерода.

Заэвтектоидную сталь при отжиге нельзя нагревать выше точки Асm (линия SЕ), так как образующаяся при очень медленном охлаждении вокруг зерен перлита цементитная сетка затрудняет механическую обработку заготовки резанием и охрупчивает сталь. Умягчению стали при отжиге способствует очень малая плотность дислокации.

Диффузионный отжиг, или гомогенизация, является разновидностью отжига, применяемого с целью устранения в легированной стали (как и в других сплавах) дендритной ликвации.

При диффузионном отжиге с целью интенсификации диффузионных процессов сталь нагревается до 1000—1100°С и подвергается длительной выдержке (18—24 ч). Для устранения крупнозернистости после гомогенизации производится обыкновенный отжиг, или нормализация.

Диффузионному отжигу подвергают слитки легированной стали с целью  уменьшения дендритной или внутрикристаллитной  ликвации, которая повышает склонность стали, обрабатываемой давлением, к  хрупкому излому, к анизотропии свойств и возникновению таких, эффектов, как шиферность (слоистый излом) и флокены (тонкие внутренние трещины, наблюдаемые в изломе в виде белых овальных пятен).

Дендритная ликвация понижает пластичность и вязкость легированной стали. Поэтому слитки и крупные отливки нередко подвергают гомогенизирующему или диффузионному отжигу.

Нагрев при диффузионном отжиге должен быть до высоких температур 1100—1200°С, так как только в этом случае более полно протекают диффузионные процессы, необходимые для выравниваний в отдельных объемах состава стали. Диффузия наиболее интенсивно протекает в начале выдержки, заметно снижаясь с течением времени. Поэтому во избежание образования большого. Количества окалины, уменьшения расхода топлива и увеличения производительности печей выдержка должна быть минимальной обычно 15-20ч. После выдержки садку охлаждают до 800-820°С  в печи, а далее на воздухе.

Во многих случаях для  уменьшения дендритной ликвации не проводят специального диффузионного отжига, а выполняют более высокий и длительный нагрев для горячей деформации.

В результате диффузионного  отжига получается крупное зерно. Этот недостаток устраняется при последующей  обработке слитка давлением или  в процессе последующей термической  обработки.

Рекристаллизационный отжиг. Этот вид отжига производится с целью устранения наклепа холоднодеформированного металла. Напомним, что наклепанный металл очень тверд и хрупок, его кристаллическая решетка вследствие высокой плотности дислокации и наличия большого числа других дефектов (вакансий, перемещенных в междоузлия атомов), а также из-за искажений и больших внутренних напряжений находится в неравновесном состоянии, обладая большим запасом избыточной свободной энергии. В сильно наклепанном металле из-за слияния дислокации в местах их скопления наблюдаются опасные дефекты — зародыши трещин.

Следовательно, в ряде случаев  наклеп приходится устранять. Для этого требуется нагрев, стимулирующий диффузионные процессы. Наклеп можно устранить, применяя уже рассмотренный обыкновенный отжиг. Однако рекристаллизационный отжиг из-за значительно более низкой температуры намного меньшей продолжительности его проведения при практически одинаковых результатах более предпочтителен.

Температура нагрева при  этом виде отжига выбирается на 150-200°С выше температуры рекристаллизации (Тр) обрабатываемого сплава. Это наименьшая температура, необходимая для протекания в наклепанном металле процессов, возвращающих ему исходные (до деформации) значения характеристик механических и других свойств.

Температура рекристаллизации зависит от состава сплава и связана с температурой его плавления уравнением Тр=aТпл (где Тпл выражена в К; а —

коэффициент, зависящий от природы сплава). Для углеродистых сталей и не сложных по составу сплавов он составляет 0,4, а у легированных сталей и сложных сплавов твердых растворов достигает 0,6—0,8.

Рекристаллизационный отжиг углеродистой стали производится при температуре нагрева в пределах 600—700 °С.

Во время нагрева и  выдержки в холоднодеформированном металле происходят рекристаллизационные процессы, суть которых сводится к таким следующим друг за другом по мере нагрева и выдержки явлениям, как аннигиляция (самоликвидация) противоположных по знаку дислокации, выстраивание дислокационных стенок (из леса дислокации) и, наконец, зарождение и рост новых равновесных зерен. Причем если первые два явления происходят при Т < Тр, то зарождение новых зерен происходит только при Т > Тр.

Заметное укрупнение рекристаллизованных зерен за счет поглощения более крупными зернами соседних мелких (собирательная рекристаллизация) происходит по окончании процесса формирования новых зерен из материала разрушенных старых. Для этого требуются продолжительные выдержки при повышенных температурах.

В рекристаллизованном металле плотность дислокации составляет 10⁷ см^-2, поэтому он имеет низкие прочностные характеристики и высокую пластичность.

Наклеп необходимо устранять  после холодной обработки металла  давлением, производимой при Т <Тр (ковка, штамповка, тонколистовая прокатка и в других случаях).

Отжиг II  рода (фазовая перекристаллизация).

Отжиг II рода заключается в нагреве стали до температур выше точек, Ас1 или Ас3, выдержке и, как. правило, последующем медленном охлаждении. В процессе нагрева и охлаждения в этом случае протекают фазовые превращения (g→a), определяющие структуру и свойства стали.

После отжига углеродистой стали получаются структуры  указанные  на диаграмме состояния железо-цементит; феррит + перлит в доэвтектоидных сталях; перлит в эвтектоидной стали перлит и вторичный цементит в заэвтектоидных сталях. После отжига сталь имеет низкую твердость и прочность при высокой пластичности. При фазовой перекристаллизации измельчается зерно и устраняются видманштеттова структура и строчечность, вызванная ликвацией, и другие неблагоприятные структуры стали . В большинстве случаев отжиг является подготовительной термической обработкой; отжигу подвергают отливки, поковки, сортовой и фасонный прокат, трубы, горячекатаные листы и т. д. Понижая прочность и твердость, отжиг облегчает обработку, резание средне- и высокоуглеродистой стали. Измельчая зерно, снимая внутренние напряжения  и уменьшая структурную неоднородность,  отжиг способствует повышению пластичности и вязкости по сравнению со свойствами, полученными после литья, ковки и прокатки. В некоторых случаях (например для многих крупных отливок) отжиг является окончательной термической обработкой.

Полный отжиг заключается  в нагреве доэвтектоидной стали на 30—50 °С выше температуры, соответствующей точке Ас3, выдержке при этой температуре для полного прогрева и завершения фазовых превращений в объеме металла и последующем медленном охлаждении(рис. 3 б, кривая 1).

При нагреве до температуры  выше точки А3 на 30-50°С образуется аустенит, характеризующийся мелким зерном, поэтому при охлаждении возникает мелкозернистая структура (рис. 3, а), обеспечивающая высокую вязкость и пластичность и возможность достижения высоких свойств после окончательной термической обработки.

Чрезмерное повышение  температуры нагрева выше точки А3 вызывает рост зерна аустенита, что ухудшает свойства стали. Время нагрева и продолжительность выдержки при заданной температуре зависят от типа нагревательной печи, способа укладки изделии в печь, от высоты садки, типа полуфабриката (лист, сортовой прокат и т. д.).

Рис.3. Схема полного отжига(а) и диаграмма изотермического распада аустенита(б) углеродистой стали: 1- охлаждение при отжиге; 2- охлаждение при нормализации.

На металлургических заводах  скорость нагрева не ограничивают и устанавливают ее максимально возможной по тепловой мощности печи (чаще ~100°С/ч); продолжительность выдержки может колебаться от 0,5 до 1 ч на 1 т нагреваемого металла. Металл загружают в печь непосредственно после выгрузки предыдущей садки, при температуре печи 400-500°С. Нагрев металла на металлургических заводах ведут в садочных печах периодического действия  или в проходных печах непрерывного действия с роликовым подом, обеспечивающих равномерный прогрев, возможность проведения всех видов отжига, высокий уровень механизации и автоматизации.

Для защиты металла от окисления  и обезуглероживания на металлургических заводах все шире применяются защитные (контролируемые) атмосферы. Защитная атмосфера составляется так, чтобы при химическом равновесии в печи обезуглероживающее и окислительное воздействие О₂, СО₂ и H₂О на сталь уравновешивалось противоположным воздействием СО и СН₄. В этом случае атмосфера выполняет защитные функции.

На металлургических заводах  чаще применяют экзотермическую атмосферу ПСО-09, получаемую путем почти полного сжигания природного газа (коэффициент избытка воздуха а = 0,9), нередко с добавкой 1-2% по объему природного газа СН₄. Состав атмосферы: 2 % СО. 2 % На. 96 % Ма.

Медленное охлаждение должно обеспечить распад аустенита при  малых степенях переохлаждения (см. рис. 3), чтобы избежать образования излишне дисперсной ферритно-карбидной структуры и свойственной ей более высокой твердости.