Файл: Материаловедение.pdf

Изм.
Лист
№ докум.
Подпись
Дата
Лист
12 2. Разработка технологического процесса термической обработки стали
Вид термической обработки и ее режим зависят от выбранной марки стали и требований, предъявляемых к шпинделю. Цель термической обработки — повышение износостойкости исполнительных поверхностей шпинделя, поверхностей опорных шеек и некоторых других поверхностей шпинделя с сохранением «сырой» сердцевины (центральной части материала). Последнее позволяет значительно уменьшить коробление, обеспечивая сохранение перво­начально-полученной высокой точности шпинделя в процессе длительного времени его эксплуатации.
Эффективным методом термической обработки шпинделей является поверхностная закалка. Термическая обработка не должна вызывать заметных деформаций и искривления шпинделя. Указанные выше поверхности подлежат закалке и последующему отпуску для достижения твердости HRCэ 46,5...57 шпиндели, работающие в опорах скольжения, закаливают и до более высокой твердости. После термической обработки поверхности необходимо промыть и очистить от возможной окалины. Поверхностную закалку можно производить несколькими способами.
Поверхностная закалка с нагревом ТВЧ в последнее время получила наибольшее распространение. Преимущество ее заключается в кратковременности нагрева (0,5 ... 20 с) поверхност­ного слоя металла, который подвергается закалке, в то время как остальная часть металла остается не нагретой, а это почти предотвращает деформирование заготовки,
На закаливаемой поверхности почти отсутствует окалина. Это позволяет оставлять на отделочные операции можно незначительные припуски. Глубина закаливаемого слоя 1 ... 5 мм, а его твердость выше, чем после закалки другими способами. Нагрев закаливаемой поверхности осуществляются при вращении шпинделя с помощью специальных кольцевых индукто­ров, охватывающих нагреваемый участок. Затем с помощью распыляемой жидкости осуществляют охлаждение закаливаемого участка. Продолжительность закалки наружных поверхностей шпинделя, при напряжении 11 В и силе тока на аноде 9 А, составляет 50 с. Последующий отпуск поверхности шпинделя можно также выполнять на установке ТВЧ или в шахтных печах. В последнем случае шпин­дель нагревают и выдерживают в течение 2,5 ч при температуре 180
°С.
Поверхностная закалка азотированием. Этим способом закаливают шпиндели, изготовленные из сталей 38Х2Ю, 38Х2МЮА и других, содержащих алюминий. Азотированию

Изм.
Лист
№ докум.
Подпись
Дата
Лист
13 подвергают обычно шпиндели, работающие в опорах скольжения, когда стремятся добиться минимальной деформации при закалке. Так как эта обработка протекает при сравнительно низкой тем­пературе (550 ... 500 °С), при которой не происходят фазовые превращения металла, то заметных деформаций не наблюдается. Твердость же закаленной поверхности достигает
HRCэ 67 ... 69.
Вследствие незначительной деформации шпинделя, с одной стороны, и трудности обработки азотированного слоя металла, с другой, поверхности, подлежащие азотированию, предварительно шлифуют, оставляя небольшой припуск (0,05 ... 0,06 мм) на последующую отделочную операцию шли­фования мелкозернистым абразивным кругом и полирование. Процесс азотирования в целом не представляет ­сложностей, однако продолжительность его составляет несколько часов.
Цементация. Это процесс химико-термической обработки, представляющий собой диффузионное насыщение поверхностного слоя стали углеродом при нагреве в соответствующей среде.
Цель цементации - получить высокую поверхностную твердость и износостойкость при вязкой сердцевине, что достигается обогащением поверхностного слоя стали углеродом в пределах 0,8-1,0% и последующей термической обработкой. Цементации подвергают детали, изготовленные из конструкционных углеродистых и легированных сталей с низким содержанием углерода (обычно до 0,25%).
Содержание углерода уменьшается от поверхности к сердцевине. Изменение содержание углерода по глубине приводит к получению трех зон: заэвтектоидной (перлит + цементит), эвтектоидной (перлит) и доэвтектоидной (феррит + перлит).
2.1. Шпиндель токарного станка.
Для шпинделя токарного станка приняли конструкционную легированную хромистую сталь
20Х. Согласно типовым режимам термической обработки сталей, таблица 8 [5], рекомендуемые режимы обработки для стали 20Х: цементация, закалка, низкий отпуск.
1. Общее время нагрева (время нагрева и выдержки) деталей при закалке берётся из расчёта 1 минута на 1,5 мм наименьшего размера наибольшего сечения. В соляных ваннах - 35 секунд на 1 мм наименьшего размера наибольшего сечения.
2. Общее время нагрева (время нагрева и выдержки) деталей при отпуске берётся из расчёта:

Изм.
Лист
№ докум.
Подпись
Дата
Лист
14 а) низкий отпуск (температура 130…240
⁰С) -- 3 минуты на 1 мм наименьшего размера наибольшего сечения, но не менее 30 - 40 минут. б) средний отпуск (температура 240...450 5) -- 2 - 3 минуты на 1 мм наименьшего размера наибольшего сечения. в) высокий отпуск (температура 450...700
⁰С) -- 2 минуты на 1 мм наименьшего размера наибольшего сечения.
3. Окончательный контроль термической обработки деталей вести по фактической твёрдости [5].
Таблица 8
Типовые режимы термической обработки стали 20Х
Режимы обработки стали 20Х
1. Цементация (газовая): 900-950
⁰С, охлаждение на воздухе; Время выдержки: 1,5-2 часа
2. Закалка: 800-820
⁰С, охлаждение в масле. Время выдержки: 90 мин.
3. Низкий отпуск: 180-200
⁰С, охлаждение на воздухе, выдержка 150 мин. Уменьшение закалочных напряжений и повышение сопротивления хрупкому разрушению. Твердость HRC 59-63
(структура мартенсит). Сердцевина не упрочняется, так как в ней сохраняется структура феррит + перлит.
1.Цементация
Цементация – процесс химико-термической обработки, представляющий собой диффузионное насыщение поверхностного слоя стали углеродом при нагреве в соответствующей среде.
Цель цементации - получить высокую поверхностную твердость и износостойкость при вязкой сердцевине, что достигается обогащением поверхностного слоя стали углеродом в пределах 0,8-1,0% и последующей термической обработкой. Цементации подвергают детали,

Изм.
Лист
№ докум.
Подпись
Дата
Лист
15 изготовленные из конструкционных углеродистых и легированных сталей с низким содержанием углерода (обычно до 0,25%).
Содержание углерода уменьшается от поверхности к сердцевине. Изменение содержание углерода по глубине приводит к получению трех зон: заэвтектоидной (перлит + цементит), эвтектоидной (перлит) и доэвтектоидной (феррит + перлит).
Применим для шпинделя из стали 20Х газовую цементацию.
При газовой цементации поверхностный слой стали насыщается углеродом при нагреве в атмосфере углеродосодержащих газов: метана, керосина, бензола и др. Применяют для массового производства мелких деталей. Детали нагревают в специальных печах, в которые непрерывным потоком подают цементирующий газ, получаемый при разложении нефтепродуктов.
Время выдержки при газовой цементации в два раза меньше, чем в твердом карбюризаторе. При газовой цементации легко и удобно регулировать состав и количество подаваемого газа, это сокращает продолжительность цикла и снижает стоимость обработки.
При изготовлении шпинделей из цементирующихся сталей цементация производится после чистовой обработки.
2.Закалка и отпуск.
Закалка стали – это термическая обработка стали, которая применяется для получения максимально возможной твердости и прочности стали. В зависимости от температуры нагрева закалку называют полной и неполной. При полной закалке происходит полное фазовое превращение т.е. сталь при нагреве переводят в однофазное аустенитное состояние.
Полной закалкой подвергают доэвтектоидные стали, нагревая их выше критической температуры GS (Ас3) на 30-50 °С, выдержке и последующем охлаждении со скоростью, превышающей критическую.
При комнатной температуре структура стали 20Х состоит из перлита и феррита. При нагреве стали 20 от комнатной температуры до температуры критической точки Ас1 (727ºС) в ней не проходят превращения. При температуре критической точки Ас1 происходит превращение перлита (эвтектоидной смеси феррита и цементита) в аустенит. Схема превращения: П→А.
При дальнейшем нагревании от температуры Ас1 до Ас3 будет происходить превращение феррита в аустенит. Превращение закончится при достижении температуры критической точки Ас3. При температуре выше критической точки Ас3 сталь 20Х будет находится в однородном аустенитном состоянии.

Изм.
Лист
№ докум.
Подпись
Дата
Лист
16
Охлаждение стали при закалке производят с большой скоростью (несколько сотен градусов в секунду). При такой высокой скорости охлаждения диффузия углерода в кристаллической решетке железа произойти не успеет, а кристаллическая решетка
Ƴ- железа, путем сдвига атомов железа друг относительно друга на расстоянии меньше межатомных, перестраивается в
α-железо. Так как диффузия атомов углерода и железа отсутствует, т.е. процесса является бездиффузионным, то содержание углерода в решетке
α-железа будет равно содержанию углерода в решетке
Ƴ- железа аустенита в результате чего решетка α- железа оказывается пересыщенной углеродом, деформируется и становится тетрагональной.
Эта новая фаза с тетрагональной кристаллической решеткой железа называется мартенситом.
Мартенсит – это пересыщенный твердый раствор внедрения углерода в
α-железо.
Мартенсит имеет высокую твердость, в основном, из-за пересыщения решетки
α-железа углеродом и его твердость возрастает с увеличением содержания углерода.
Детали из стали 20Х после цементации подвергаем однократной закалке с температуры 800-820 °С (выше точки Ас1 но ниже точки Ас3 сердцевины). Такой закалкой достигается измельчение зерна цементованного слоя и частичная перекристаллизация и измельчение зерна сердцевины.
3. Общее время нагрева под закалку складывается из времени нагрева до заданной температуры (τн) и времени выдержки при этой температуре (τв), следовательно
τобщ = τн + τв.
Расчет проводят по формуле
τн = 1,5∙D1, где D1 – размерная характеристика изделия (мм) – минимальный размер максимального сечения (т.е. для детали находят максимальное поперечное сечение и в нем - минимальный размер. Это и будет характеристический размер D1;
τн =1,5∙50=75 мин
τв=0,2∙ τн=0,2∙75=15 мин
τобщ=75+15=90 мин.
Общее время нагрева детали под закалку составляет 90 мин.
Время нагрева при отпуске 3 минуты на 1 мм наименьшего размера наибольшего сечения, но не менее 30 - 40 минут: 3*50=150 мин.

Изм.
Лист
№ докум.
Подпись
Дата
Лист
17
Таблица 9
Механические свойства стали 20Х
Шпиндель шлифовального станка.
Для шпинделя шлифовального станка принимаем конструкционную легированную хромоникелевую сталь 20ХН3А. Эта сталь является незаменимой для создания силовых элементов различных конструкций, а также высоконагруженных деталей и механизмов машин.
При полной прокаливаемости сталь имеет лучшие механические свойства, особенно сопротивление хрупкому разрушению, низкий порог хладноломкости, высокое значение работы развития трещины и вязкость разрушения.
Сталь 20ХН3А малочувствительна к перегреву при длительной цементации и не склонна к пересыщению поверхностных слоев углеродом. Большая устойчивость переохлажденного аустенита в области перлитного превращения обеспечивает высокую прокаливаемость хромоникелевой стали. Критический диаметр при закалке в масле 25-70 мм. После цементации и закалки в масле сердцевина детали имеет структуру низкоуглеродистого мартенсита, что обеспечивает сочетание повышенной прочности сердцевины (
????в = 800 - 1300МПа) и вязкости.
Хромоникелевые стали обладают большой прокаливаемостью, поэтому имеют высокие прочностные свойства. Благодаря значительному количеству легирующих примесей, гораздо легче получить при термической обработке более высокую прочность и вязкость сердцевины из-за образования в ней структур бейнита или низкоуглеродистого мартенсита. Поэтому из них изготовляют ответственные детали. Хромоникелевая сталь 20ХН3А мало чувствительна к перегреву, хорошо прокаливается.
Рис. 4. Микроструктура мартенсита

Изм.
Лист
№ докум.
Подпись
Дата
Лист
18
Цементация и двойная заклка с низким отпуском поковок из стали 20ХН3А.
1. Цементация проводится при температуре 920-950°С, и достаточно большой выдержке, необходимой для выравнивания температуры по всему объему.
При изготовлении шпинделей из цементирующихся сталей цементация производится после чистовой обработки.
Для деталей небольшогь размера проводится газовая цементация. Детали нагревают в специальных печах, в которые непрерывным потоком подают цементирующий газ, получаемый при разложении нефтепродуктов. Температура газовой цементации 920…950 °C. Время выдержки
4-5 часов.
2. Двойная закалка:
– закалка с температуры 860-880° С (выше точки Ас3 сердцевины) - для измельчения структуры сердцевины и устранения цементитной сетки в поверхностном слое;
Время нагрева:
τн = 1,5∙D1=1,5∙50=75 мин.
Время выдержки
τв=0,2∙τн=0,2∙75= 15 мин.
τобщ=75+15=90 мин.
Время выдержки 1,5 часа. Охлаждающая среда – масло.
При закалке с охлаждением в масле (а не в воде, как это требуется для углеродистой стали) возникают меньшие напряжения, а следовательно, и меньшая деформация. После закалки сталь имеет структуру мартенсит и твердость не ниже 50 HRC.
– закалка с 760-780°С - для измельчения структуры цементованного слоя и придания ему высокой твердости. Охлаждение в масле.
3. Низкий отпуск при температуре 180-200°С для уменьшения закалочных напряжений и повышения сопротивления хрупкому разрушению. Время выдержки при нагреве под низкий отпуск (с момента прогрева детали): – 2,5…5 часов;
Для предупреждения отпускной хрупкости, к которой чувствительны стали с хромом
(марганцем), деталь после нагрева следует охлаждать на воздухе.
Структура стали: мартенсит отпуска.
Механические свойства стали 20ХН3А после т/о предствалены в таблице 10 [8].
Таблица 10

Изм.
Лист
№ докум.
Подпись
Дата
Лист
19

Изм.
Лист
№ докум.
Подпись
Дата
Лист
20
Выводы
При выполнении работы был сделан аналитический обзор, который содержит данные необходимые для выбора материала (марки стали) для изготовления шпинделей токарного и шлифовального станков. Детально описаны требования к материалу и причины разрушения.
В работе приведена технология химико-термической обработки (цементация, закалка с последующим низким отпуском), которая обеспечивает получение заданных в условии механических свойств.
В результате выполнения работы для изготовления шпинделей были выбраны материалы сталь 20Х для шпинделя токарного станка и сталь 20ХН3А, для изготовления шпинделя шлифовального станка, соответствующие поставленным условиям. Детально рассмотрены режимы химико-термической обработки для получения заданных условий, влияние легирования на превращения, происходящие на всех стадиях термической обработки.

Изм.
Лист
№ докум.
Подпись
Дата
Лист
21
Список использованной литературы
1. Солнцев Ю.П., Пряхин Е.И. Материаловедение. Учебник для вузов. – СПб.: ХИМИЗДАТ,
2007. – 784 с.
2. Арзамасов В.Б., Черепахин А.А. Материаловедение. Учебник. – М.: Экзамен, 2009. – 352 с.: ил.
3. Марочник стали и сплавов – URL: http://splav-kharkov.com/choose_type.php.
4. Оськин В.А., Байкалова В.Н., Карпенков В.Ф. Практикум по материаловедению и технологии конструкционных материалов: Учебное пособие для вузов (под ред. Оськина В.А.,
Байкаловой В.Н.) . – М.: КолосС, 2007. – 318 с.: ил.
5.
Типовые режимы термической обработки сталей
(Таблица)
– URL: https://infotables.ru/promyshlennost-i-mashinostroenie/107-tablitsa-tipovye-rezhimy- termicheskoj-obrabotki-stalej#hcq=RyKcvUr
6. Шмыков А.А.Справочник термиста: Издание второе / А.А. Шмыков – М.: Книга по
Требованию, 2012. – 290 с.ISBN 978-5-458-42195-9 7. Центральный металлический портал РФ. Сталь 20Х. – http://metallicheckiy- portal.ru/marki_metallov/stk/20Х
8. Центральный металлический портал РФ. Сталь 20ХН3А. – http://metallicheckiy- portal.ru/marki_metallov/stk/20XH3A

Карта технологического процесса ХТО стали 20Х
Карта технологического процесса термообработки
Марка и состав стали: сталь конструкционная легированная, хромоникелевая
Текст задания
Выбрать стали для шпинделей токарных и шлифовальных станков с учетом того, что шпиндели работают в условиях износа, которые, кроме того, должны обеспечить высокую точность обработки.
Деформация шпинделей шлифовальных станков при окончательной термической обработке должна быть минимальной. Оба шпинделя должны иметь повышенную износостойкость.
Указать структуру выбранной стали и твердость поверхностного слоя и сердцевины после окончательной обработки.
Марка
20Х
Химический состав:
Механические свойства:
HB 10
-1
= 131 МПа, σ
в
=780 МПа, σ
т
= 635 МПа
Исходная структура: феррит+перлит
Номер операции
Наименование операции
Структура после каждой т/о
Температура операции, ⁰С
Время выдержки, мин
Среда охлаждения
Механические свойства в готовом состоянии
1 цементация перлит
+ цементит
900-950 1,5-2 часа воздух
σ
в
=930 МПа,
σ
т
= 790 МПа
КСУ=0,49 МДж/м
2 2 закалка игольчатый мартенсит
800-820 90 масло
3 низкий отпуск сорбит
180-200 150 воздух
Поверхностный слой: перлит+цементит
Твердость
HRC 59-63
Глубина: сердцевина
HRC 32-45