Сущность и значение термической обработки детали из стали.

Курсовая работа

По дисциплине: ПМ 01 Разработка, внедрение и ведение технологических процессов термической и химико-термической обработки металлов

МДК 01.01 Технология термического производства

Тема: «Разработка технологического процесса термической обработки детали Шток. Материал: Сталь 40Х, ГОСТ 4543-71»

 

Специальность: 22.02.04 «Металловедение и термическая обработка металла»

 

Руководитель (преподаватель) _________ Филиппова Е.Д.

Выполнила студентка группы МТ-316 ________ Писарева А.А.

 

Новосибирск 2018 

СОДЕРЖАНИЕ

Введение ………………………………………………………..

Глава 1 Технологический раздел ………………….

1.1 Анализ исходных данных………………………………….

1.2 Характеристика стали………………………………………..

  1.3 Выбор и обоснование технологического процесса термической обработки……………………………………………………….

 

 

                                                      ВВЕДЕНИЕ

Термической обработкой называют технологические процессы, состоящие из нагрева и охлаждения металлических изделий с целью изменения их структуры и свойств. Технологии придания большей твердости металлам и сплавам совершенствовались в течение долгих веков. Термической обработке подвергают слитки, отливки, полуфабрикаты, сварные соединения, детали машин, инструменты.

Сочетание закалки с отпуском или старением практически всегда предполагает получение более высокого уровня свойств (твердости, характеристик прочности, коэрцитивной силы, удельного электрического сопротивления и др.) по сравнению с отожженным состоянием. К основному оборудованию для термической обработки относятся печи, нагревательные установки и охлаждающие устройства.

Цель работы - анализ и разработка технологического процесса термической обработки детали Шток, выполненной из Стали 40Х.

Задачи дипломной работы:

- рассмотреть теоретические основы термической обработки;

- выполнить анализ чертежа и технических требований;

- провести анализ материала Стали 40Х;

- назначить вид термической обработки и режимы;

- обеспечить технологический процесс методами и средствами контроля;

- выполнить технологический процесс, обеспечивая безопасные условия труда и сохранность экологии;

- разработать приложение №2 «Технологическая карта».

Объект исследования: Технологический процесс термической обработки детали Шток.

Предмет исследования: деталь Шток.

Методологическая основа в курсовой работе включает: техническую литературу, ГОСТы, интернет-источники.

Практическая значимость: Современное оборудование позволяет проводить термическую обработку таким образом, чтобы значительно улучшать свойства изделий даже из недорогих материалов.

И так как данный метод термической обработки используют очень часто, особенно при массовом и серийном производстве, считаю, что разработанная технология может применяться в термических цехах предприятий города Новосибирска.

 

 

ТЕОРЕТИЧЕСКИЙ РАЗДЕЛ.

Обработка конструкционных сталей.

Углеродистые конструкционные стали можно с полным основанием назвать универсальным материалом, который успешно используется не только для производства деталей различных механизмов и машин, но и для изготовления элементов строительных конструкций. Возможность такого широкого использования этого материала обеспечивается целым набором качественных характеристик, которыми он обладает.

 

К данной категории относятся углеродистые стали, которые должны обладать целым набором технологических характеристик, определяющих эффективную и длительную эксплуатацию изделий из них. Это возможно благодаря тому, что специалисты тщательно подбирают химический состав сплавов, постоянно совершенствуют методы упрочнения их поверхностного слоя, используют различные технологии термообработки, а также металлургические методы, позволяющие значительно повысить качество готового металла.

 

По назначению конструкционные стали делятся на два типа:

 

сплавы для производства продукции в машиностроительной сфере;

строительные конструкционные стали, которые также называют арматурными (они отличаются в том числе хорошей свариваемостью).

Углеродистые стали, которые называют конструкционными, могут быть общего или специального назначения. В их химическом составе, кроме полезных добавок, содержатся и вредные примеси, наиболее значимыми из которых являются сера и фосфор. Повышенное содержание данных элементов в составе стали делает изделия из нее очень хрупкими, а также значительно ухудшает их свариваемость.

Именно из-за серьезного влияния таких вредных примесей, как сера и фосфор, на характеристики конструкционных углеродистых сталей в зависимости от количественного содержания данных элементов такие сплавы подразделяются на стали обыкновенного качества, качественные, высококачественные и особовысококачественные.

 

В конструкционных углеродистых сталях данных категорий сера и фосфор содержатся в следующих количествах:

 

в сплавах обыкновенного качества (их можно отличить по маркировке «Ст») – не более 0,05%;

качественных (обозначаются как «Сталь») – не более 0,035%;

высококачественных (маркируются буквой «А») – не более 0,025%;

отличающихся особо высоким качеством (маркировка – буква «Ш») – не более 0,015%.

Конструкционные сплавы, относящиеся к категории износостойких, содержащие в своем составе значительное количество легирующих добавок, могут быть низко- и высокоуглеродистыми. Из таких сталей, отлично противостоящих не только механическому изнашиванию, но и кавитационной коррозии, производят элементы дробильного оборудования, траки, лопасти насосного оборудования и др

 

Углеродистые стали, которые относятся к категории автоматных (А40Г, АЦ40Г2, АЦ45Х и др.), включают различные элементы: 0,6–1,5% марганца, 0,05–0,16% фосфора, 0,05–0,3% серы. Углерода в таких сплавах содержится до 0,45%. Значительно улучшить их качественные характеристики позволяет добавление таких элементов, как селен, свинец и кальций. Из этих конструкционных углеродистых сталей, не отличающихся высокой прочностью, изготавливают детали для автопрома: болты, шпильки, шайбы и др.

Конструкционные стали в строительстве

Конструкционные углеродистые стали, используемые в строительстве, отличаются небольшим объемом легирующих элементов (хрома, марганца и кремния), а также содержанием углерода в пределах 0,1–0,2%. Такие стали, кроме хорошей свариваемости, наделены следующими характеристиками, которые особенно полезны при изготовлении строительных конструкций:

 

хорошей ковкостью и жидкотекучестью;

высокой твердостью и ударной вязкостью;

оптимальными параметрами относительного удлинения и прочности.

Режимы термообработки стали

Термическую обработку применяют для устранения напряжений, оставшихся в изделии после сварки, а также для улучшения структуры металла сварного шва. После сварки или в процессе сварки применяют такие виды термической обработки, как отжиг, нормализация, отпуск.

 

режимы термообработки сталиНагрев при отжиге изделия в предварительной печи ведут постепенно. Для низко и среднеуглеродистых сталей температура достигает 600-680°С. При этой температуре сталь становится пластичной, и напряжения снижаются. После нагрева следует выдержка при достигнутой температуре из расчета 2,5 минуты на 1 мм толщины свариваемой детали, но не менее 30 минут. Затем изделие охлаждается вместе с печью.

 

Существуют и другие виды отжига: местный и полный отжиг. Режимы отжигов выбирают согласно справочной литературе. Для разных сталей применяют свои технологические параметры отжига.

 

Нормализация отличается от отжига тем, что после отжига сваренную конструкцию охлаждают на спокойном воздухе. После нормализации сохраняется мелкозернистая структура металла, что позволяет обеспечить его относительно высокую прочность и твердость, но без напряженного состояния.

 

Стали с высоким содержанием углерода в процессе сварки закаливаются, возрастает их твердость и хрупкость. Такие изделия из углеродистых сталей подвергают нормализации с последующим отпуском. В этом случае нагревание производят до 400-700°С, и после этого сваренные детали медленно охлаждают.

 

При газовой сварке сталей термическая обработка служит средством повышения пластичности металла шва. В некоторых случаях участки шва нагревают до светло-красного цвета каления и в этом состоянии проковывают. Зерна металла измельчаются, пластичность и вязкость повышаются. Во избежание появления наклепа (новое напряженное состояние) проковку следует прекратить при остывании металла до темно-красного цвета. После проковки необходимо провести повторную нормализацию.

 

Режимы термообработки стали

Термическая обработка для конструкций из углеродистых и низколегированных сталей марок СТЗсп, Ст3пс, 20, 25, 30, 25Л, ЗОЛ, 20К, 22К, 09Г2С, 15ГС, 16ГС, 20ГСЛ, 1 ОХСНД, О8ГДНФЛ

Посадка в «холодную» или нагретую печь до Т=200°С.

 Нагрев с производственной скоростью до Т=300°С.

Выдержка при температуре 300+25°С на протяжении 1-2 часов.

Нагрев со скоростью не более 70°С в час до Т=590°С.

Выдержка при температуре 590°С ± 15°С назначается из расчета 1 час на каждые 25 мм наибольшего сечения сварного шва конструкции с округлением в большую сторону до целого часа.

В случае заварки выборок выборка берется из расчета 1 час на 25 мм глубины выборки. Началом выдержки следует считать время, когда показания печных или подставных термопар будут находиться в интервале 590°С ± 15°С. Примечание: При наличии в садке конструкций разных толщин выдержка назначается по максимальной толщине.

 

Термическая обработка аустенитных сталей, типа Х18Н10Т после сварки, для которых требуется испытание на МКК

 

Посадка в «холодную» или нагретую печь до Т=300°С.

Нагрев со скоростью не более 100-120°С в час до Т=850°С.

Выдержка при температуре 850°С для толщин:

⌀ = 10 мм - 2 часа,

⌀ = 20 мм - 4 часа,

⌀ = 30 мм - 6 часов,

⌀ = 50 мм - 8 часов,

свыше 50 мм - 10 часов,

Охлаждение со скоростью не более 40°С в час до Т=200°С, дальнейшее охлаждение на воздухе.

Примечание: Время выдержки выбирается по наибольшей толщине в конструкции.

 

Термическая обработка для конструкций из углеродистых стали и сталей 08Х13 после сварки электродами ЭА-39519

Посадка в «холодную» или нагретую печь до Т-300°С.

Нагрев с производственной скоростью до Т=300°С.

Выдержка при температуре 300°С — 1 час.

Нагрев со скоростью не более 50°С в час до Т=680°С.

Выдержка при температуре 680°С ± 10°С для толщин:

⌀ = 4-50 мм - 3 часа,

⌀ = 60-80 мм - 5 часов,

⌀ = 90 мм - 8 часов.

Охлаждение со скоростью не более 40°С в час до Т=200°С, дальнейшее охлаждение на воздухе.

Примечание: Время выдержки выбирается по наибольшей толщине в конструкции.

Термическая обработка для конструкций из углеродистых и низколегированных сталей марок СТ3сп, Ст3пс, 20, 25, 30, 25Л, ЗОЛ, 20К, 22К, 09Г2С, 15ГС, 16ГС, 20ГСЛ, 10ХСНД, 08ГДНФЛ

 

Посадка в «холодную» или нагретую печь до Т=200°С.

Нагрев с производственной скоростью до Т=300°С.

Выдержка при температуре 300°С ± 25°С на протяжении 1-2 часов.

Нагрев со скоростью не более 70°С в час до Т=590°С.

Выдержка при температуре 590°С ± 15°С назначается из расчета 1 час на каждые 25 мм наибольшего сечения сварного шва конструкции с округлением в большую сторону до целого часа.

В случае заварки выборок выборка берется из расчета 1 час на 25 мм глубины выборки. Началом выдержки следует считать время, когда показания печных или подставных термопар будут находиться в интервале 590°С ± 15°С. Примечание: При наличии в садке конструкций разных толщин, выдержка назначается по максимальной толщине.

 

 

Анализ исходных данных

Описание служебного назначения детали

 Шток используется в изделии «Компрессор двойного действия» и предназначен для передачи поступательного движения от кривошипно-шатунного механизма к поршню.

 

Рисунок 1 Схема работы компрессора двойного действия

 

Для обеспечения высокой износостойкости рабочей поверхности, применен соответствующий материал Сталь 40Х и  произведено азотирование поверхности детали. Для уменьшения нагрева и износа уплотнительных колец, а также для уменьшения усталостных разрушений (так как шток работает при знакопеременных нагрузках) шероховатость рабочей поверхности должна быть незначительной. Для уменьшения концентраторов напряжений и увеличения срока службы штока все переходы между диаметрами выполняются с округлениями и с небольшой шероховатостью, а резьба выполняется не нарезанием, а накатыванием.

 Надёжность и долговечность штоков зависит от способа формообразования заготовки, механических свойств металла, конфигурации, размеров, точности изготовления, чистоты поверхности, монтажа, способа упрочнения, условий эксплуатации и ряда других факторов.

На всех поверхностях штока не допускаются трещины, волосовины, забоины и другие дефекты, снижающие прочность детали. Резьба штока должна быть без забоин, трещин, задиров, сорванных ниток и других дефектов.

Деталь представляет собой тело вращения и не является жесткой, так как ее длина, более чем, в 11 раз больше диаметра, поэтому ее обработка требует использования специальных приспособлений. Это также учитывается во время термообработки, чтобы исключить коробления. На рис.1 показана деталь «Шток», цилиндрической формы, её габаритные размеры: длина-860мм, наибольший диаметр- 55мм.

Характеристика стали

Сталь 40Х - является конструкционной и легированной.

Сталь 40Х склонна к отпускной хрупкости, при отпуске в определенном диапазоне температур у стали понижается вязкость, а также сопротивляемость хрупкому разрушению. В основном сталь 40Х используется при производстве деталей машиностроения,  которые служат для передачи крутящего момента вращающихся элементов.

Свойства материала

-высокая механическая прочность;

-устойчивость к резким перепадам температур;

-пониженная чувствительность к коррозии; что позволяет использовать изделия из этой стали на открытом воздухе и в некоторых агрессивных средах.

Химический состав материала

В данном материале имеется 0,40 процента углерода и меньше полутора процентов хрома.

Таблица 1 Химический состав в % стали 40Х

C	Si	Mn	Ni	S	P	Cr	Cu
0.36-0.44	0.17-0.37	0.5-0.8	до 0.3	до 0.035	до 0.035	0.8-1.1	до 0.3

Влияние углерода

Углерод влияет на вязкие свойства. Увеличение содержания углерода повышает порог хладоломкости и снижает ударную вязкость. Углерод оказывает влияние и на технологические свойства. Повышение содержания углерода ухудшает литейные свойства стали (используются стали с содержанием углерода до 0,4 %), обрабатываемость давлением и резанием, свариваемость. Следует учитывать, что стали с низким содержанием углерода также плохо обрабатываются резанием.

Влияние хрома

Хром является элементом, влияющим эффективно на изменение механических и физических свойств стали. Растворяясь в феррите и образуя прочные карбиды, а также оказывая заметное влияние на дисперсность получаемой структуры и коагуляцию структурных составляющих, он повышает твердость и прочность стали, пределы упругости и текучести, не снижая пластических свойств.

Хром и молибден способствуют некоторому повышению коррозионной стойкости стали. Хром, никель, молибден, вольфрам, ванадий, кремний, марганец повышают прокаливаемость стали что дает возможность получить однородную структуру и повысить в результате термической обработки механические свойства деталей значительно большего сечения по сравнению с деталями из углеродистой стали.

Влияние хрома различно для разных структурных составляющих стали. Влияния, оказываемые хромом на твердость феррита невелики. Наиболее резко хром повышает твердость и прочность мартенсита.

Механические свойства

Данный материал применяется при изготовлении детали «Шток», работающего при температуре до 450 °С. Подбор марки стали осуществляется по ее механическим свойствам.

 

Таблица 2 Механические свойства стали 40Х

t°С	σТ (МПа)	σв(МПа)	НВ
400	610	690	217

Механические свойства – это свойства,определяющие способность металлов сопротивляться деформированию и разрушению. 

Пределом текучести  в данной стали составляет 610МПа и представляет механическую характеристику материала, характеризующую напряжение, при котором деформации продолжают расти без увеличения нагрузки.

Предел прочности находится в пределах 690МПа и показывает механическое напряжение, выше которого происходит разрушение материала.

Твердость стали всостоянии поставкиопределяю по методу Бринелля 217НВ. Он характеризует свойства металлов и сплавов оказывать сопротивление местной пластичной деформации или хрупкому разрушению в поверхностном слое в определенных условиях испытания.

 

Таблица 3 Технологические свойства материала сталь 40Х

Свариваемость	трудно свариваемая
Флокеночувствительность	чувствительна
Склонность к отпускной хрупкости	склонна

 

Свариваемость материала относится к трудно свариваемым и определяет  свойства или сочетания металлов образовывать при установленной технологии сварки неразъемное соединение, отвечающее требованиям, обусловленным конструкцией и эксплуатацией изделия.

Флокеночувствительность стали очень чувствительна и поэтому склонность стали и некоторых сплавов ведет к поражению флокенами. Флокены – дефекты внутреннего строения стали в виде серебристо-белых пятен или волосовин.

Отпускная хрупкость это склонность материала к понижению вязкости и сопротивление хрупкому разрушению легированной стали при отпуске в определенном интервале температуры, а также при медленном охлаждении после отпуска или отжига в интервале 650—450°.

Сталь обладает повышенной прочностью и вязкостью. Поверхности штока, работающие в условиях трения и с большими нагрузками, требуют высокой твердости.

Данная сталь поддается ковке, так как температура начала ковки составляет 1240°С, а конца 800°С, после чего необходимо произвести охлаждение заготовки на воздухе.

Сталь марки 40Х требуется, если нужно произвести улучшаемые изделия, имеющие повышенную прочность.

Область применения этой стали довольно разнообразна, хоть и сводится в большинстве своем к созданию из неё детали «Шток» повышенной прочности, подвергающейся улучшению методом термообработки.

Для штоков из стали 40Х производится поверхностная закалка до твёрдости HV460 - 600. Разность твёрдости на одной поверхности не более HV90 - 120.

Курсовая работа

По дисциплине: ПМ 01 Разработка, внедрение и ведение технологических процессов термической и химико-термической обработки металлов

МДК 01.01 Технология термического производства

Тема: «Разработка технологического процесса термической обработки детали Шток. Материал: Сталь 40Х, ГОСТ 4543-71»

 

Специальность: 22.02.04 «Металловедение и термическая обработка металла»

 

Руководитель (преподаватель) _________ Филиппова Е.Д.

Выполнила студентка группы МТ-316 ________ Писарева А.А.

 

Новосибирск 2018 

СОДЕРЖАНИЕ

Введение ………………………………………………………..

Глава 1 Технологический раздел ………………….

1.1 Анализ исходных данных………………………………….

1.2 Характеристика стали………………………………………..

  1.3 Выбор и обоснование технологического процесса термической обработки……………………………………………………….

 

 

                                                      ВВЕДЕНИЕ

Термической обработкой называют технологические процессы, состоящие из нагрева и охлаждения металлических изделий с целью изменения их структуры и свойств. Технологии придания большей твердости металлам и сплавам совершенствовались в течение долгих веков. Термической обработке подвергают слитки, отливки, полуфабрикаты, сварные соединения, детали машин, инструменты.

Сочетание закалки с отпуском или старением практически всегда предполагает получение более высокого уровня свойств (твердости, характеристик прочности, коэрцитивной силы, удельного электрического сопротивления и др.) по сравнению с отожженным состоянием. К основному оборудованию для термической обработки относятся печи, нагревательные установки и охлаждающие устройства.

Цель работы - анализ и разработка технологического процесса термической обработки детали Шток, выполненной из Стали 40Х.

Задачи дипломной работы:

- рассмотреть теоретические основы термической обработки;

- выполнить анализ чертежа и технических требований;

- провести анализ материала Стали 40Х;

- назначить вид термической обработки и режимы;

- обеспечить технологический процесс методами и средствами контроля;

- выполнить технологический процесс, обеспечивая безопасные условия труда и сохранность экологии;

- разработать приложение №2 «Технологическая карта».

Объект исследования: Технологический процесс термической обработки детали Шток.

Предмет исследования: деталь Шток.

Методологическая основа в курсовой работе включает: техническую литературу, ГОСТы, интернет-источники.

Практическая значимость: Современное оборудование позволяет проводить термическую обработку таким образом, чтобы значительно улучшать свойства изделий даже из недорогих материалов.

И так как данный метод термической обработки используют очень часто, особенно при массовом и серийном производстве, считаю, что разработанная технология может применяться в термических цехах предприятий города Новосибирска.

 

 

ТЕОРЕТИЧЕСКИЙ РАЗДЕЛ.

Сущность и значение термической обработки детали из стали.

Детали машин и приборов характеризуются большим разнообразием форм, размеров, условий эксплуатации. Они работают при статических, циклических и ударных нагрузках, при низких и высоких температурах в контакте с различными средами. Эти факторы определяют требования к материалам, основные из которых - эксплуатационные, технологические и экономические.

Первостепенное значение имеют эксплуатационные требования, для которых важны такие механические и эксплуатационные свойства, как твёрдость, прочность, вязкость, пластичность, сопротивление усталости, износостойкость, контактная выносливость, коррозионная стойкость.

Технологические требования направлены на обеспечение наименьшей трудоёмкости изготовления деталей, конструкции инструмента. В частности, материал должен обладать хорошей обрабатываемостью резанием, давлением, свариваемостью, высокими литейными свойствами, иметь необходимую прокаливаемость, не иметь склонности к возникновению больших внутренних напряжений при термической обработке.

Термическая обработка заключается в нагреве деталей по назначенному режиму до заданной температуры, выдержке при этой температуре, а затем охлаждении с определенной скоростью. В случае обработки холодом, т. е. при отрицательных температурах, процесс состоит в охлаждении деталей в камере холода с некоторой скоростью, выдержке при заданной отрицательной температуре и нагревании до комнатной температуры. Таким образом, режим термической обработки определяется совокупностью ряда факторов — температурой и скоростью нагрева или охлаждения, продолжительностью выдержки при заданной температуре.

Назначение термической обработки — придать металлу или сплаву необходимые свойства: повышенную или пониженную твердость, прочность, пластичность. Изменение физико-механических свойств металлов и сплавов в результате термической обработки вызывается изменениями их структуры.

Термическая обработка в инструментальном производстве осуществляется с целью повышения прочностных свойств режущего инструмента. К основным видам термической обработки относятся отжиг, закалка, отпуск, обработка холодом, химико-термическая обработка.Отжиг первого рода, или рекристаллизационный отжиг, проводят при температуре, составляющей 0,4 температуры плавления металла (практически сталь отжигают при 630 — 650° С). Отжиг этого вида применяется для снятия упрочнения, возникшего в металле в результате механической обработки. отжиг повышает пластичность металла и прочность и твердость.Этот вид отжига применяется внутренних напряжений и улучшения структуры состоит в нагревании металла выше температуры ты превращений (как и в случае отжига второго рода) и охлаждении. Закалкой достигается получение структуры, которая обеспечивает металлу устойчивые механические свойства при высоких температуру и' следовательно, после закалки повышается твердость, и прочности металла. Структура металла после закалки неравновесном состоянии, так как в ней присутствуют различные фазы (фаза — однородная часть сплава). Отпуск состоит в нагреве сплавов, имеющих неравновесную гуру, ниже температуры фазовых превращений, выдержке той температуре и охлаждении. В результате отпуска структура металла становится более равновесной, что вызывает снижение твердости и прочности и повышение пластичности и вязкой металла.