Контрольная работа по материаловедению на тему Назначьте режим термической обработки (температуру закалки, охлаждающую среду, температуру отпуска) для детали Рессора. из стали 60СГ, для получения значения твердости 55-60 HRC. Опишите микроструктуру и свойства материала до и после термической обработки

Задание № 1
Назначьте режим термической обработки (температуру закалки, охлаждающую среду, температуру отпуска) для детали Рессора. из стали 60СГ, для получения значения твердости 55-60 HRC. Опишите микроструктуру и свойства материала до и после термической обработки.
Специфические условия работы и особая форма рессор и пружин предъявляют высокие требования к сталям. От таких сталей не требуется высокая пластичность (относительное удлинение d = 5…10 % и сужение поперечного сечения y = 20…35 %), поскольку возникновение пластической деформации в них не допускается. Рессорно-пружинные стали характеризуются высоким отношением предела текучести к пределу прочности.
Для изготовления пружин, рессор и подобных им деталей выбирают конструкционные стали с повышенным содержанием углерода. Содержание С в них может быть повышено до 0,5…0,8 %, что позволяет существенно повысить предел прочности и предел упругости. Рессорно-пружинные стали относятся к перлитному классу. Основными ЛЭ в этих сталях являются Mn (»1 %) и Si (0,5.. ..3 %), интенсивно повышающие упругие свойства. Дополнительно в эти стали вводят Cr, Ni, V и W. Прочность легированных рессорно-пружинных сталей достигает sв = 1200…1900 МПа и даже выше.
Рессорно-пружинные стали по ГОСТ 14959-79 подразделяются на углеродистые и легированные. Углеродистая рессорно-пружинная сталь дешевле легированной, но отличается малой прокаливаемостью. Поэтому эти стали используют только для изготовления пружин малого сечения. По степени легированности и прочности эти стали можно разбить на три группы: 1) пониженной прочности; 2) средней прочности; 3) высокой прочности (приложение 5).
К первой группе относятся углеродистые стали (сталь 65, 70, 75, 85) с повышенным содержанием Mn (до 0,5…0,8 %), марганцовистая сталь 65Г и кремнемарганцовистая сталь 55ГС с 0,5…0,8 % Si и 0,6…0,9 % Mn.
Большинство сталей второй группы содержат 1,5…2,0 % Si за исключением сталей марок 50ХФА и 50ХФ2, которые дополнительно легируются Cr и V при пониженном содержании Si.
В сталях третьей группы при том же или более высоком содержании Si (70С3А содержит 2,4…2,8 % Si) и углерода содержатся также Cr, W, V и Ni. Высокие прочностные характеристики сталей второй и третьей групп объясняются введением Si при повышенном содержании углерода.
Пружинные стали подвергают закалке с 820…830 °С преимущественно в масле (стали 50С2 и 55С2 иногда закаливаются в воду) с последующим среднем отпуском при 410…480 °С на структуру троостита.
Данная сталь содержит ~ 0,6 % С.
Закалка на максимальную твердость данной стали будет заключаться в нагреве выше критической температуры АС3 на 30-50°С, что соответствует ~ 800-820°С и быстром охлаждении (в воде). Такая закалка называется полной, поскольку при нагреве сталь полностью переходит в аустенитное состояние. При охлаждении в воде скорость охлаждения выше критической, и аустенит превращается в мартенсит, что обеспечивает высокую твердость стали.
Высокий отпуск производят при 500-680 °С. При этих температурах практически полностью устраняются искажения кристаллической решетки, полученные при закалке, и снимаются закалочные напряжения. В результате образуется структура, представляющая смесь феррита и цементита, называемая сорбитом отпуска. Эта структура имеет значительно меньшую, чем мартенсит твердость, но вполне удовлетворительную прочность и более высокие показатели пластичности и вязкости.

 
Задание № 2
Для изготовления Полуось выбрана определенная марка стали 30ХН3:
а) расшифруйте состав и определите, к какой группе относится данная сталь по назначению;
Металл марки 30ХН3А – это хромоникелевая конструкционная легированная сталь, используемая для выпуска шестерней, венцов зубчатых колес большого диаметра и других деталей машин. Наличие в составе никеля обеспечивает коррозионностойкие свойства сплава. Буква А в конце маркировки говорит о том, что сталь 30ХН3А относится к высококачественным.
Характеристика материала 30ХН3А
Марка : 30ХН3А
Заменитель: 30Х2ГН2, 25Х2ГНТА, 34ХН2М
Классификация : Сталь конструкционная легированная
Дополнение: Сталь хромоникелевая.
Применение: Венцы ведомых колес тяговых зубчатых передач электропоездов, шестерни и другие улучшаемые детали. Может применяться при температуре —80 °С (толщина стенки не более 100 мм).


Виды поставки материала 30ХН3А
В22 - Сортовой и фасонный прокат ГОСТ 2591-2006; ГОСТ 2879-2006; ГОСТ 1133-71; ГОСТ 2590-2006;
В23 - Листы и полосы ГОСТ 103-2006;
В32 - Сортовой и фасонный прокат ГОСТ 14955-77; ГОСТ 1051-73; ГОСТ 4543-71; ГОСТ 7417-75; ГОСТ 8559-75; ГОСТ 8560-78;


Химический состав в % материала 30ХН3А ГОСТ 4543 - 71
C Si Mn Ni S P Cr Cu
0.27 - 0.33 0.17 - 0.37 0.3 - 0.6 2.75 - 3.15 до 0.025 до 0.025 0.6 - 0.9 до 0.3

б) назначьте режим термической обработки, приведите подробное его обоснование, объяснив влияние легирования на превращения, происходящие на всех этапах термической обработки данной стали;
За счет того, что в сплав одновременно введены сразу две легирующие добавки – хром (Cr=0,6-0,9%), и никель (Ni=2,75-3,15%), хром-никель сталь приобретает высокую прочность, а также свойства пластичности и вязкости. При длительной цементации сплав приобретает жаропрочные свойства, что важно для тех категорий деталей машин, которые выпускаются из данного сплава.
Механические свойства стали марки 30ХН3А
Сортамент Размер Напр. в T 5  KCU Термообр.
- мм - МПа МПа % % кДж / м2 -
Пруток Ø 5 1670 1420 13 50 660 Закалка 850oC, масло, Отпуск 200oC, воздух
Пруток Ø 20 1670 1370 12 45 490 Закалка 850oC, масло, Отпуск 200oC, воздух
Пруток, ГОСТ 4543-71 Ø 25 980 785 10 50 780 Закалка 820oC, масло, Отпуск 530oC, вода
Твердость 30ХН3А после отжига , ГОСТ 4543-71 HB 10 -1 = 241 МПа
Температура нагрева:
tнагр = tАс3 +(30…50) = 820 + (30…50) =850…870 0С;
время нагрева и выдержки для размера сечения 40 мм составляет при норме 1 мин./мм:
1 мин./мм ´ 40 мм = 40 мин;
Охлаждающая среда – минеральное масло.
Режим отпуска:
По справочным материалам для данной стали с целью обеспечения вышеописанных свойств назначаем температуру отпуска 550 0С.
При перегреве структура кислотоустойчивой стали не нарушается, но может получиться толстый слой окалины, который с трудом снимается путем травления. Таким образом, тонкие изделия, как, например, коронки, могут разрушиться во время травления после чрезмерно длительного нагрева.

Следует избегать нагрева стали в атмосфере, содержащей большое количество кислорода. Термическую обработку лучше вести в печах, а не на открытом воздухе.
В качестве нагревательных устройств принимаем:
Закалка: камерная печь серии СНО с электрическим нагревом и воздушной атмосферой типа СНО-4.8.2,5/10, tmax=1000 0С.
Отпуск: шахтная печь серии ПН с электронагревом и воздушной атмосферой типа ПН-32, tmax=650 0С.

в) опишите микроструктуру и главные свойства стали после термической обработки.
На рисунке а показана микроструктура стали после отжига при 850 °С, состоящая из перлита и феррита, а на рисунке б – микроструктура после закалки с 850 °С в масле и отпуска при 550 °С. Микроструктура представляет собой сорбит, сохранивший ориентировку мартенсита. Иногда этой стали после закалки даётся низкий отпуск при 200 °С. Тогда получается структура отпущенного мартенсита, обладающего более высокой прочностью, но меньшей ударной вязкостью, чем сорбит.

Микроструктура стали: а - после отжига при 850 °С, б - после закалки с 850 °С в масле и отпуска при 550 °С.

 
Задание №3
Как проводят и какие преимущества газовой цементации?
При газовой цементации в качестве карбюризаторов применяют различные газы и газовые смеси. Детали нагреваются в специальных герметически закрытых печах, в которые непрерывным потоком подает цементирующий углеродсодержащий газ. Такими газами являются естественные (природные) газы, а также искусственные газы.
Для газовой цементации используется и жидкий карбюризатор метанол (бензол, пиробензол, керосин, синтин и др.), который подается непосредственно в рабочее пространство печи. При высокой температуре происходит разложение жидкого карбюризатора, в результате чего образуется цементирующий газ. Газовая цементация деталей производится при температуре 900—950° С. Время выдержки при газовой цементации