Теоретическое обоснование выбора марки стали для изготовления стакана.

Введение

В развитии машиностроительной промышленности значительная роль принадлежит термистам, так как термическая обработка является одной из основных, наиболее важных операций общего технологического цикла обработки, от правильного выполнения которой зависит качество (механические и физические свойства) изготовляемых деталей машин и механизмов, инструмента и другой продукции.

В связи с ускоренным развитием техники крайне актуальными стали вопросы повышения надежности и долговечности деталей машин, приборов, установок, повышение их качества и эффективности работы, а следовательно, вопросы эко­номии металлов, борьбы с коррозией и износом деталей машин. Решение этих проблем прежде всего связано с упрочнением поверхностных слоев изделий. Роль их в долговечности машин и механизмов, приборов и др. особенно возросла в настоящее время, так как развитие большинства отраслей промышленности (авиационная, ракетная, теплоэнергетика, атомная энергетика, радиоэлектро­ника и др.) связано с повышением нагрузок, температур, агрессивности сред, в которых работает деталь.

Изменить свойства поверхности в необходимом направлении можно различ­ными способами. Их можно условно разделить на два вида:

1) нанесение на по­верхность нового материала с необходимыми свойствами;

2) изменение состава поверхностного слоя металла, обеспечивающего желаемое изменение свойств.

В первом случае применяют такие хорошо известные покрытия, как гальва­нические, химические, наплавочные и др. На поверхность металлических сплавов наносят и неметаллические материалы — эмаль, краску, различного рода син­тетические материалы.

Во втором случае поверхностные слои металла подвергают диффузионной химико-термической обработке (ХТО), в результате которой на поверхности изделия образуется новый, отличающийся от сердцевины сплав. ХТО позволяет получить в поверхностном слое изделия сплав практически любого состава и, следовательно, обеспечить комплекс необходимых свойств — физических, химических, механических и др.

Одним из наиболее эффективных и широко применяемых в промышленности методов повышения долговечности многих ответственных деталей является, их химико-термическая обра­ботка, которая воздействует, на поверхностные слои металла, т. е. на те слои, в которых концентрируются максимальные на­пряжения, возникают трещины, развиваются процессы износа и коррозии.

Химико-термической обработкой достигаются:

а) поверхностное упрочнение металлов и сплавов повы­шает: поверхностную твердость, износостойкость, усталостная прочность, теплостойкость и т. д.

б) повышение стойкости металлов и сплавов против воздей­ствия внешних агрессивных сред при нормальных и повышен­ных температурах повышает: стойкость против коррозии, кавитационной эрозии, кислотостойкость, окалиностойкость и т. д.

Химико-термическая обработка металлов и сплавов заклю­чается в нагреве и выдержке их при высокой температуре в активных газовых, жидких или твердых средах, в результате чего изменяются химический состав, структура и свойства по­верхностных слоев металлов и сплавов. В отличие от термиче­ской обработки химико-термическая обработка изменяет не только структуру, но и химический состав поверхностных слоев, что позволяет в более широких пределах изменять свойства металлов и сплавов. После некоторых видов химико-термической обработки для улучшения свойств сердцевины и поверх­ностных слоев проводят термическую обработку.

УСЛОВИЯ ЭКСПЛУАТАЦИИ И ТРЕБОВАНИЯ, ПРЕДЪЯВЛЯМЫЕ К МАТЕРИАЛУ ДЛЯ ИЗГОТОВЛЕНИЯ СТАКАНА.

В курсовом проекте необходимо разработать технологический процесс изготовления стакана. Чертеж детали приведен на рисунке 1.

Рисунок 1- Стакан.

Общими потребительскими требованиями к конструкционным сталям являются наличие у них определенного комплекса механических свойств, обеспечивающего длительную и надежную работу материала в условиях эксплуатации, и хороших технологических свойств (обрабатываемости давлением, резанием, закаливаемости, свариваемости и др.)

Требования к конструкционным сталям:

1) Высокая конструктивная прочность, обеспечивающая длительную и надежную работу конструкции в условиях эксплуатации.

2) Наличие комплекса высоких механических свойств, а не одной какой-либо характеристики.

3) Высокая сопротивляемость ударным нагрузкам, усталости, а при трении – сопротивляемость износу, а также коррозии.

4) Хорошие технологические свойства – высокие литейные свойства, обрабатываемость давлением, резанием, хорошую свариваемость.

5) Дешевизна и отсутствие дефицитных легирующих элементов.

Основными требованиями к стали при изготовлении стакана являются высокая износостойкость и минимальная деформация при термообработке. Поэтому для изготовления стакана применяют именно конструкционные улучшаемые стали.

Улучшаемые стали используются для изготовления деталей, работающих при средних скоростях и высоких удельных давлениях. Детали должны иметь:

- высокую износостойкость

- минимальную деформацию при термообработке

- высокую прокаливаемость (способность стали закаливаться на определенную глубину) 35мм

- низкую стоимость

Предварительная термическая обработка стали 30ХГСА.

Предварительной термической обработкой следует называть такую обработку, которая предназначена для решения задачи по увеличению технологических свойств металла или технологичности, что важно для изготовления деталей, или повышения механических свойств готовых изделий, которые не могут быть достигнуты только в результате одной окончательной термической обработки.

Технологические задачи, которые решаются методами предварительной обработки, - это подготовка или получение такой структуры, которая обеспечивает хорошую обрабатываемость, ускорение процессов диффузии при окончательной термической обработке.

Для стали 30ХГСА проводим в качестве предварительной термической обработки полный отжиг до температуры 860^оС, А_с1=760, А_с3=830.

Отжиг представляет собой операцию термической обработки, заключающуюся в нагреве стали, выдержке при данной температуре и последующем медленном охлаждении вместе с печью или в песке со скоростью 2-3° в минуту. В результате отжига образуется устойчивая структура, свободная от остаточных напряжений.

Отжиг является одной из важнейших массовых операций термической обработки стали.

Цель отжига:

1) снижение твердости и повышение пластичности для облегчения обработки металлов резанием;

2) уменьшение внутреннего напряжения, возникающего после обработки давлением (ковка, штамповка), механической обработки и т. д.;

3) снятие хрупкости и повышение сопротивляемости ударной вязкости;

4) устранение структурной неоднородности состава материала, возникающей при затвердевании отливки в результате ликвации;

5) изменение свойств наклепанного металла.

В зависимости от поставленных задач отжиг производится при различных температурах и бывает двух видов: неполный и полный.

Температура отжига, как правило, должна быть на 20-30° выше А_с3. Время отжига – 1 час.

х500

Рисунок 4 – Микроструктура стали 30ХГСА после полного отжига (Ф + П)

Выбор охлаждающей среды.

Условия аустенитизации и соответственно состояние аустенита оказывают большое влияние на кинетику фазовых превращений при последующем охлаждении и конечные свойства образующихся при этом структур стали.

Для получения мартенситной структуры при закалке стали её необходимо охлаждать со скоростью не меньшей, чем критическая скорость закалки (\/_охл. > \/_кр). Значение \/_кр определим, воспользовавшись диаграммой изотермического превращения переохлаждённого аустенита (рисунок 5).

V_кр=(760)/2*300= 1,26 ⁰С/с

Рисунок 5 – С- кривые изотермического распада аустенита для стали 30ХГСА.

Зная скорость охлаждения, мы можем определить закалочную среду. В данном случае при закалке на мартенсит необходимо охлаждать в масло, так как сталь 30ХГСА – легированная.

Вода как охлаждающая среда имеет некоторые существенные недостатки: высокая скорость охлаждения в области температур мартенситного превращения нередко приводит к образованию закалочных дефектов; с повышением температуры резко ухудшается закалочная способность. При температуре воды 80 – 90⁰С пленочное кипение распространяется на большую область температур и занимает до 95% всего периода охлаждения, поэтому мы охлаждаем в масле.

При закалке изделий в горячей воде вследствие их медленного охлаждения при высоких и быстрого при низких температурах тепловые напряжения получаются низкими, а наиболее опасные структурные – высокими, что может вызвать образование трещин. Наиболее высокой и равномерной охлаждающей способностью отличаются холодные 8-12%-ные водные растворы NaCl и NaOH, которые хорошо зарекомендовали себя на практике.

Влияние легирующих элементов.

Сталь 30ХГСА содержит следующие легирующие элементы: хром, марганец. Прежде всего легирующие элементы увеличивают такое важное свойство как критический диаметр прокаливаемость. Наша сталь прокаливается насквозь до 50 мм. Как правило, лучшие свойства обеспечивает комплексное легирование. Легирование сталей и сплавов используют для улучшения их технологических свойств. Легированием можно повысить предел текучести, ударную вязкость, относительное сужение и прокаливаемость, а также существенно снизить скорость закалки, порог хладноломкости, деформируемость изделий и возможность образования трещин. В изделиях крупных сечений (диаметром свыше 15...20 мм) механические свойства легированных сталей значительно выше, чем механические свойства углеродистых.

Такой элемент как хром будет входить в твердый раствор железа и упрочнять его, сужать область существования аустенита, образовывать устойчивые карбиды, повышать сопротивление коррозии.

Легирующие элементы (хром и марганец), повышая устойчивость аустенита, снижают критическую скорость закалки и увеличивают прокаливаемость. Для многих сплавов критическая скорость закалки снижается до 20°С/с и ниже, что имеет большое практическое значение. Это связано с тем что для распада аустенита углеродистой стали нужна диффузия углерода. Маленькие атомы углерода перемещаются в кристаллической решетке железа легко, а для распада аустенита легированной стали должна пройти диффузия легирующих элементов. Их атомы по размеру сравнимы с атомами железа, и диффузия идет медленнее. Переохлажденный аустенит оказывается устойчивее. Карбидообразующие элементы: Cr, Ni - при малом их содержании растворяются в цементите, замещая в нем атомы железа(что существенно повышает твердость). Состав карбида в этом случае может быть выражен формулой (Fe, M)mCn, где М - символ суммы легирующих элементов, a m, n - коэффициенты, определяемые химической формулой карбида. При повышении содержания карбидообразующих элементов могут образовываться самостоятельные карбиды.

ПЛАНИРОВКА УЧАСТКА КОНТРОЛЯ КАЧЕСТВА ТЕРМИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКИ.

ПЛАНИРОВКА УЧАСТКА КОНТРОЛЯ КАЧЕСТВА.

Рисунок 12 - Планировка участка контроля качества.

1. Печь для цементации ПМК 7 10 Твердомер ТК

2. Микроскоп МИМ-7 11. Твердомер ТП-2

3. Печь для закалки 12. Стол для проведения НК

4. Бак с водой 13. Стеллаж

5. Бак с маслом 14. Полировальный станок ПШСМ-2

6. Печь для отпуска 15. Шлифовальный станок ПШСМ-2

7. Разрывная машина Р-100 16. Письменный стол

8. Железный стол 17. Раковина

9. Твердомер ТШ-2

Для проведения контроля качества поступающей продукции, разработки новых режимов термической обработки на многих заводах при цехе термической обработки, существует термическая лаборатория. В такой лаборатории имеются некоторые средства контроля свойств, такие как: твердомеры различных видов, приборы неразрушающего контроля свойств, металлографический микроскоп, так же универсальные лабораторные печи, для проведения термической обработки, и эталонные образцы для сравнения. В курсовом проекте мы разрабатывали технологический процесс изготовления стакана, выше показан один из вариантов планировки участка контроля качества.

 

 

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В курсовом проекте изучены условия эксплуатации детали и обосновала требование к составу, механическим и технологическим свойствам материала для ее изготовления.

Обоснован выбор марки стали и технологического маршрута термоупрочнения детали, в том числе выбор температур закалки и отпуска стали, технологических сред нагрева и охлаждения при термообработке.

Рассмотрены фазовые и структурные превращения, протекающие в материалах при термической обработке, с описанием формирования структур стали и её свойств.

Описаны возможные виды дефектов и брака, появляющихся в стали в процессе термической обработки и способы их контроля.

Составлен комплект документов на технологический процесс термической обработки детали.

 

Введение

В развитии машиностроительной промышленности значительная роль принадлежит термистам, так как термическая обработка является одной из основных, наиболее важных операций общего технологического цикла обработки, от правильного выполнения которой зависит качество (механические и физические свойства) изготовляемых деталей машин и механизмов, инструмента и другой продукции.

В связи с ускоренным развитием техники крайне актуальными стали вопросы повышения надежности и долговечности деталей машин, приборов, установок, повышение их качества и эффективности работы, а следовательно, вопросы эко­номии металлов, борьбы с коррозией и износом деталей машин. Решение этих проблем прежде всего связано с упрочнением поверхностных слоев изделий. Роль их в долговечности машин и механизмов, приборов и др. особенно возросла в настоящее время, так как развитие большинства отраслей промышленности (авиационная, ракетная, теплоэнергетика, атомная энергетика, радиоэлектро­ника и др.) связано с повышением нагрузок, температур, агрессивности сред, в которых работает деталь.

Изменить свойства поверхности в необходимом направлении можно различ­ными способами. Их можно условно разделить на два вида:

1) нанесение на по­верхность нового материала с необходимыми свойствами;

2) изменение состава поверхностного слоя металла, обеспечивающего желаемое изменение свойств.

В первом случае применяют такие хорошо известные покрытия, как гальва­нические, химические, наплавочные и др. На поверхность металлических сплавов наносят и неметаллические материалы — эмаль, краску, различного рода син­тетические материалы.

Во втором случае поверхностные слои металла подвергают диффузионной химико-термической обработке (ХТО), в результате которой на поверхности изделия образуется новый, отличающийся от сердцевины сплав. ХТО позволяет получить в поверхностном слое изделия сплав практически любого состава и, следовательно, обеспечить комплекс необходимых свойств — физических, химических, механических и др.

Одним из наиболее эффективных и широко применяемых в промышленности методов повышения долговечности многих ответственных деталей является, их химико-термическая обра­ботка, которая воздействует, на поверхностные слои металла, т. е. на те слои, в которых концентрируются максимальные на­пряжения, возникают трещины, развиваются процессы износа и коррозии.

Химико-термической обработкой достигаются:

а) поверхностное упрочнение металлов и сплавов повы­шает: поверхностную твердость, износостойкость, усталостная прочность, теплостойкость и т. д.

б) повышение стойкости металлов и сплавов против воздей­ствия внешних агрессивных сред при нормальных и повышен­ных температурах повышает: стойкость против коррозии, кавитационной эрозии, кислотостойкость, окалиностойкость и т. д.

Химико-термическая обработка металлов и сплавов заклю­чается в нагреве и выдержке их при высокой температуре в активных газовых, жидких или твердых средах, в результате чего изменяются химический состав, структура и свойства по­верхностных слоев металлов и сплавов. В отличие от термиче­ской обработки химико-термическая обработка изменяет не только структуру, но и химический состав поверхностных слоев, что позволяет в более широких пределах изменять свойства металлов и сплавов. После некоторых видов химико-термической обработки для улучшения свойств сердцевины и поверх­ностных слоев проводят термическую обработку.

УСЛОВИЯ ЭКСПЛУАТАЦИИ И ТРЕБОВАНИЯ, ПРЕДЪЯВЛЯМЫЕ К МАТЕРИАЛУ ДЛЯ ИЗГОТОВЛЕНИЯ СТАКАНА.

В курсовом проекте необходимо разработать технологический процесс изготовления стакана. Чертеж детали приведен на рисунке 1.

Рисунок 1- Стакан.

Общими потребительскими требованиями к конструкционным сталям являются наличие у них определенного комплекса механических свойств, обеспечивающего длительную и надежную работу материала в условиях эксплуатации, и хороших технологических свойств (обрабатываемости давлением, резанием, закаливаемости, свариваемости и др.)

Требования к конструкционным сталям:

1) Высокая конструктивная прочность, обеспечивающая длительную и надежную работу конструкции в условиях эксплуатации.

2) Наличие комплекса высоких механических свойств, а не одной какой-либо характеристики.

3) Высокая сопротивляемость ударным нагрузкам, усталости, а при трении – сопротивляемость износу, а также коррозии.

4) Хорошие технологические свойства – высокие литейные свойства, обрабатываемость давлением, резанием, хорошую свариваемость.

5) Дешевизна и отсутствие дефицитных легирующих элементов.

Основными требованиями к стали при изготовлении стакана являются высокая износостойкость и минимальная деформация при термообработке. Поэтому для изготовления стакана применяют именно конструкционные улучшаемые стали.

Улучшаемые стали используются для изготовления деталей, работающих при средних скоростях и высоких удельных давлениях. Детали должны иметь:

- высокую износостойкость

- минимальную деформацию при термообработке

- высокую прокаливаемость (способность стали закаливаться на определенную глубину) 35мм

- низкую стоимость

ТЕОРЕТИЧЕСКОЕ ОБОСНОВАНИЕ ВЫБОРА МАРКИ СТАЛИ ДЛЯ ИЗГОТОВЛЕНИЯ СТАКАНА.