Режимы термообработки стали 65г

Назначение и особенности термической обработки легированных рессорно-пружинных сталей. Анализ зависимости эксплуатационных свойств от температуры и скорости отпуска. Технология проведения полной закалки деталей. Схема структурных превращений при нагреве.

Рубрика	Производство и технологии
Вид	контрольная работа
Язык	русский
Дата добавления	07.04.2016
Размер файла	889,5 K

Отправить свою хорошую работу в базу знаний просто. Используйте форму, расположенную ниже

Студенты, аспиранты, молодые ученые, использующие базу знаний в своей учебе и работе, будут вам очень благодарны.

Размещено на http://allbest.ru

Режим термической обработки рессор из стали 65Г

Для изготовления упругих элементов общего назначения, применяются легированные рессорно-пружинные стали.

Особенность работы деталей типа упругих элементов состоит в том, что в них используются в основном упругие свойства стали и не допускаются при нагрузке (статической, динамической, ударной) возникновение пластической деформации.

В связи с этим стали должны иметь высокое сопротивление малым пластическим деформациям, т.е. высокие пределы упругости (текучести) и выносливости при достаточной пластичности и в сопротивлении хрупкому разрушению.

Важные характеристики сталей данного типа — релаксационная стойкость и прокаливаемость. Для обеспечения этих требований сталь должна иметь однородную структуру, т. е. хорошую закаливаемость и сквозную прокаливаемость (структуру мартенсита по всему сечению детали после закалки).

Наличие в структуре стали феррита, продуктов эвтектоидного распада, остаточного аустенита снижает упругие свойства детали. Известно, что сопротивление малым пластическим деформациям возрастает с уменьшением размера зерна в стали.

К группе рессорно-пружинных сталей общего назначения относятся стали перлитного класса с содержанием углерода 0,5. 0,7%, которые для улучшения свойств (прокаливаемость, предел выносливости, релаксационная стойкость, мелкозернистая структура) дополнительно легируют кремнием (1,5. 2,8%), марганцем (0,6. 1,2 %), хромом (0,2. 1,2%), ванадием (0,1. 0,25%), вольфрамом (0,8. 1,2%), никелем (1,4. 1,7).

Эксплуатационные свойства стали приобретают после термической обработки, состоящей в закалке и среднем отпуске (350. 5200С) на тростит отпуска (рис.1а).

Применение находит также изотермическая закалка на нижний бейнит (рис.1б).

термический закалка сталь легированный

В соответствии с заданием необходимо подобрать режим термической обработки стали 65Г. Сталь обладает стойкостью к росту зерна. Имеет высокие механические свойства.

Примем первый вариант термической обработки (рис. 1а): закалку и средний отпуск. По данным ГОСТа 14959-79 температура закалки для 65Г составляет 840-8600С (АС3 = 7880С).

В качестве охлаждающей среды применяем масло.

Последующий отпуск проводим при температуре 420-4500С (выше температуры необратимой отпускной хрупкости). Получаемая структура тростита отпуска (мелкозернистая ферритоцементитная смесь) обеспечит высокое сопротивление малой пластической деформации при достаточных значениях пластичности и вязкости (рис.2а, б) с НRC = 40. 50.

Указанный режим термической обработки (рис.3) обеспечивает получение следующих свойств (минимальных): s 0,2 > 1270МПа; s в > 1470МПа; d > 12%; y > 42%; НВ » 3900 — 4800 МПа (отпуск 4500 ).

Сталь 65Г — сталь перлитного класса. Кремний несколько повышает точку А3 и снижает А4. Критические точки стали АС1 — 7520С , АС3 — 7880С. Учитывая содержание углерода, сталь по структуре отжига относится к доэвтектоидным сталям, однако кремний сдвигает точку S диаграммы Fe -Fe3C до 0,7 % С, т. е. сталь становится почти эвтектоидной. Поэтому необходимо проведение полной закалки (температура А3 — 30-500С, т.е. » 840-8600С). При полной закалке сталь нагревают до однофазной мелкозернистой аустенитной структуры (рис.4).

Последующее охлаждение в масле со скоростью большей чем V кр (наименьшая скорость охлаждения, при которой аустенит превращается в мартенсит) обеспечивает получение мелкозернистого мартенсита (рис.5)

VК — наименьшая скорость охлаждения, при которой аустенит превращается в мартенсит. Рассмотрим превращения, происходящие в стали 65Г при нагреве с исходной равновесной структуры Ф + Ц. На практике при обычных скоростях нагрева (электропечи) под закалку перлит сохраняет свое пластинчатое или зернистое строение до температуры АС1 (до 7520С для стали 65Г). При температуре АС1 в стали происходит превращение перлита в аустенит. Кристаллы (зерна) аустенита зарождаются в основном на границах фаз феррита и цементита. При этом параллельно развиваются два процесса: полиморфный переход Fea ® Fe g ; растворение аустенита в цементите.

Представим общую схему превращения П (Ф +Ц) ? А1 ® (Ф + Ц + А)1 ® (А + Ц)2 ® ( А неоднородный )3 ® (А гомогенный)4 Образование зерен аустенита происходит с большей скоростью, чем растворение цементита перлита, поэтому необходима выдержка стали при температуре закалки для полного растворения цементита и получения гомогенного аустенита.

Из рис.6 видно, что фазовая кристаллизация приводит к измельчению зерна в стали. При этом чем дисперснее структура перлита (Ф +Ц) и чем выше скорость нагрева стали, тем больше центров зарождения аустенита, а, следовательно, возрастает дисперсность продуктов его распада. Увеличение дисперсности продуктов распада аустенита приводит к увеличению пластичности, вязкости, уменьшение чувствительности к концентраторам напряжений. Рассмотрим изменение структуры в стали при закалке в масле. При непрерывном охлаждении стали со скоростью большей чем критическая скорость (рис.5) аустенит превращается в мартенсит. Мартенситное превращение развивается в сталях с высокой скоростью (1000-7000м/с) в интервале температур Мн. Мк. При этом необходимо учитывать, что с увеличением % С точки Мн и Мк понижаются, в то время как введение кремния их повышает.

Из рис.7 видно, что температура Мн и Мк определяются в основном химическим составом стали. В результате закалки стали 65Г структура может иметь кроме мартенсита и некоторое количество остаточного аустенита. Возможность мартенситного превращения в стали объясняется наличием принципа структурного и размерного соответствия между аустенитом — плоскость (111) и мартенситом — плоскость (110), т.е. g ® a переход носит бездиффузионный характер. Превращение аустенита в мартенсит происходит путем кооперативного направленного сдвига только атомов железа на расстояние меньше межатомных. Полученный мартенсит представляет собой перенасыщенный твердый раствор углерода в a — железе и имеет тетрагональную кристаллическую решетку. Атомы углерода занимают в основном октаэдрические поры. Образование в результате закалки мартенсита приводит к большим внутренним напряжениям, повышению твердости, прочности (фазовому наклепу), однако при этом возрастает склонность стали к хрупкому разрушению, что требует проведения дополнительно последующего отпуска.

Превращение в закаленной стали при среднем отпуске (450 С)

Нагрев закаленной стали до температуры АС1 принято называть отпуском. Отпуск должен обеспечить получение в стали необходимые эксплуатационных свойств. Структура стали 65Г после закалки состоит из мартенсита и остаточного аустенита. При отпуске будет проходить одновременно несколько процессов:

1. Распад перенасыщенного твердого раствора мартенсита, при котором углерод выделяется в виде карбидов ( e — карбид, Fe3C ).

2. Распад остаточного аустенита, который превращается в мартенсит отпуска.

3. Выделение карбидной фазы Fe3C и ее последующая коагуляция.

4. Уменьшение плотности дефектов кристаллического строения.

5. Снимаются внутренние напряжения.

Рассмотрим последовательность процессов при отпуске с повышением температуры: До 800С диффузионная подвижность атомов мала и распад аустенита идет медленно.

Первое превращение при отпуске развивается в диапазоне 80. 2000С и приводит к формированию структуры отпущенного мартенсита — смеси пересыщенного углеродом a — раствора и когерентных с ними частиц e — карбида.

В результате этого существенно меняется тетрагональность мартенсита ( часть углерода выделяется в виде метастабильного e — карбида ), удельный объем, снижаются внутренние напряжения (рис.8).

Второе превращение при отпуске развивается в интервале температур 200. 2600С (3000С) и состоит:

1) в превращении остаточного аустенита в отпущенный мартенсит;

2) в дальнейшем распаде отпущенного мартенсита: уменьшается степень его перенасыщенности до 0,15. 0,2% С, начинается преобразование e — карбида в цементит и его обособление, разрыв когерентности;

3) в снятии внутренних напряжений;

4) в связи с переходом остаточного аустенита в отпущенный мартенсит имеет место некоторое увеличение объема.

Третье превращение при отпуске развивается в интервале 300. 4000С. При этом заканчивается распад отпущенного мартенсита и процесс карбидообразования.

Формируется карбидоферритная смесь, существенно снимаются внутренние напряжения; повышение температуры отпуска выше 4000С активизирует процесс коагуляции карбидов, что приводит к уменьшению дисперсности ферритоцементитной смеси.

Структуру стали после низкого отпуска (до 2500С) называют отпущенным мартенситом. Структуру стали после среднего отпуска 350. 5000С называют троститом отпуска. Структуру стали после высокого отпуска 500. 6000С называют сорбитом отпуска. В стали 65Г после полной закалки в масле и среднего отпуска при 4500С образуется структура тростита.

Состав и группа стали 110Г13

Для некоторых деталей (шары дробильных мельниц и т.к.) используется сталь 110Г13.

Существуют виды сталей, имеющих ограниченное применение. Именно к ним относят рессорно — пружинную сталь 65Г. Её характеристики отличают высокие параметры упругости и стойкостью к износу.

Химический состав

В состав марки 65Г входят следующие вещества:

до 0,65% углерода (С);

до 1,2% марганца (Мn);

до 0,4% кремния (Si);

до 0,25% хрома (Сг);

до 0,035% фосфора (Р);

до 0,25% никеля (Ni).

Расшифровка стали

Буква Г означает, что основной легирующий элемент — марганец, а цифра 65 — это процентное содержание углерода в сплаве в сотых долях (0,65%)

Наличие марганца в таком количестве увеличивает упругость стали и ее сопротивление на разрыв.

Эта сталь выпускается на основании ГОСТ14959-2016.

Действие этого документа относится к горячекатанному и кованному прокату. Кроме того, он регламентирует такую продукцию, как специальный прокат, который предназначен для производства пружинной и рессорной продукции. Этот ГОСТ нормирует химический состав проката.

Производители выпускают следующую номенклатуру продукции:

• сортовой прокат, в т. ч. фасонный — ГОСТ 14959-79;
• пруток калиброванный — ГОСТ 1051-73;
• серебрянка — ГОСТ 14955-77.

Кроме тог,о металлургические предприятия выпускают лист разной толщины, круги, полосы, прутки прочие виды изделий.

Аналоги стали 65Г

В качестве заменителя для стали 65Г можно использовать — 60С2А, 9ХС, 50ХФА, 60С2.

Зарубежные металлурги производят следующие аналоги:

• США — G15660;
• Германия — 66Mn4;
• Великобритания — 080A67;
• Китай — 65Mn.

Общие параметры

Вещества, входящие в этот материал и дальнейшая его термообработка обеспечивает:

• высокую стойкость к износу;
• хорошая ударная вязкость;
• сопротивление на разрыв;
• высокая стойкость к воздействию ударов.

Отсутствие большого количества легирующих элементов позволяет обеспечить относительно низкую цену этой стали.

Для получения заданных параметров сталь марки 65Г закаливают при температуре от 800 до 830 ºC. Отпуск выполняют при температуре от 160 до 200 ºC, такой отпуск называют высоким. Охлаждение выполняют на воздухе. Такие режимы термической обработки позволяют получить изделие с твёрдостью поверхности 45- 47 по HRC.

Технолог, проектируя процесс термообработки должен помнить, сталь 65Г и ее аналоги не опасаются перегрева, но при выполнении закаливания в верхних точках температурного диапазона может снизиться ударная вязкость.

Применение стали 65Г

Эта сталь и ее аналоги нашли свое применение во многих отраслях промышленности, например, в автомобилестроении, станкостроении и пр. Практически сталь 65Г и ее аналоги можно встретить в любом автомобиле, тракторе, станке, судне, то есть в любом оборудовании, в котором эксплуатируются рессоры, пружины, в том числе и тарельчатые и пр.

Как правило, твёрдость пружин лежит в диапазоне от 40 до 50 по Rc. ГОСТ определяет методики проверки, которые максимально приближены к реальным условиям их работ. Во время приемки пружинная продукция проходит испытания на растяжение, сжатие и пр. Более того, на поверхности готовых изделий недопустимо наличие рисок, царапин и пр. Все дело в том, что рано или поздно их наличие приведет к появлению трещин на поверхности изделий.

Пружины, которые производят из проволоки, прошедшей термическую обработку, такую называют патентированной, или лент класса Н, П или В, подвергают операции дополнительного отпуска. Она необходима для устранения внутренних напряжений, которые возникают при их производстве. Кроме того, такая дополнительная обработка приводит к повышению упругости готовых изделий. Дополнительный отпуск выполняют в ваннах, наполненных селитрой, время отпуска составляет 5 — 10 минут. Кроме того, при отпуске с использованием электропечей, технологи должны отслеживать то, чтобы изделия прогревались равномерно, в противном случае, возможно, возникновение внутренних напряжений.

Изделия, произведённые из отожжённой стали, подвергаются операциям закаливания и отпуска. При этом отпуск выполняют при температуре до 720 ºC.

Пружины, предназначенные для закаливания, могут помещать или разогретые ванны, заполненные соляным раствором, или в камерные печи.

Существует ряд технологических особенностей при производстве пружинных изделий из стали 65Г. В частности, пружины небольшого размера, помещают в печи на специальных поддонах. Изделия большого размера на специальных приспособлениях, которые предотвращают появление коробления, это могут быть трубы соответствующего размера.

Имеет смысл отметить, что, кроме промышленности, сталь марки 65Г применяют для производства клинкового оружия — это специальные ножи для метания и турнирные мечи, используемые в исторических реконструкциях. Кстати, именно в этой сфере применения, проявляется один из недостатков этого сплава — низкая стойкость к воздействию коррозии. Именно поэтому клинки после использования проходят смазку касторовым маслом. Специалисты утверждают, что уход за клинковым оружием можно сравнить за правилами ухода за дамасской сталью.

Для изготовления, например, кухонных или охотничьих ножей эта сталь не лучшее решение, это вызвано рядом ее свойств.

Что из себя представляет сталь марки 65 г? Она является многокомпонентной сталью, которую обычно используют как хороший конструкционный материал.

Как правило, пускается в ход в промышленности: в производство пружин рессоров, а также некоторых других изделий. Если же уходить от темы промышленного производства, то можно отметить изготовление спортивных метательных ножей и клинков для мечей.

Описание марки стали 65г

65 — содержание углерода в сплавах в сотых, а «г» — марганец (легирующий элемент).

Температура ковки стали: начала — 1250 °C, конца — 760−780°C.

65 г представляет собой износостойкий, вязкий, прочный, упругий материал, с хорошим сопротивлением разрыву и стойкостью к ударным нагрузкам.

Механические свойства стали — следующих категорий:

Температура закалки — 830 °C, масляная. Температура отпуска — 470 °C.

Существует несколько видов поставки стали 65 г, одним из них является следующий:

ГОСТ 14959–79 — фасонный и сортовой прокат.

Технические характеристики и ГОСТ

Если это крайне необходимо, допускается замена стали 65 г, характеристики следующих марок достаточно похожи: 70, 70 г и некоторых других. А также материал имеет зарубежные аналоги, например: китайский аналог 65Mn, болгарский 65G, американские 1066, 1566, G15660 и некоторые другие.

Согласно ГОСТу 14959−79, в химическом составе этого металла содержатся следующие вхождения:

• углерод (C) — до 0,7% ;
• марганец (Mn) — до 1,2%;
• кремний (Si) — до 0,4%;
• и другие элементы, процентные доли которых составляют менее 0,035%.

В основу легировки данного вида стали ложится такой элемент, как марганец. Его доля в стали 65 г составляет от 0,9 процента до 1,2 процента.

Марганец необходим для того, чтобы: во-первых, устранять окислы железа, образующиеся при производстве литой стали, а во-вторых, — для увеличения твёрдости, повышения предела упругости и сопротивления разрыву. Также его наличие увеличивает плотность, что достаточно важно для пружинно-рессорной стали.

Также в составе стали 65 г есть кремний (от семнадцати сотых до четырёх десятых процента), который отвечает за повышение упругих свойств стали, и хром (до двадцати пяти десятых процента), в свою очередь, затрудняющий рост зерна при нагреве и повышающий механические свойства стали при таких нагрузках, как статические и ударные.

Из технологических характеристик стали можно отметить то, что она имеет низкую свариваемость, в связи с чем она не используется как элемент для свариваемых конструкций. КТС (контактно-точечная сварка) — без ограничений.

Способы применения стали:

Спиральные пружины, листовые и пружинные шайбы. Их твёрдость — Rc = 40−50. При приёме пружин обычно производится проверка их основных показателей — твёрдости и упругости. Проверка должна происходить максимально приближенной к обычным условиям работы пружин (растяжению, сжатию и изгибу).

Производство пружин

Отпуск

Основная сфера применения стали — использование при производстве пружинных изделий. Поступление металла производится обычно в виде прутьев, но возможны и другие варианты, такие, как листы и проволока, а также кованые заготовки.

На характеристики и качество готового продукта достаточно сильно влияет её термообработка.

При производстве изделий из сверхпрочной проволоки имеется необходимость подвергнуть элементы отпуску при температуре от 250 °C до 350 °C, эта процедура выполняется для снятия созданного при производстве внутреннего напряжения и, конечно, для повышения упругости витков изделия.

Вышеописанная процедура, как правило, осуществляется в селитровых ваннах, но может производится и в камерных электрических или нефтяных печах. В случае с электрическими печами время удержания составляет 10 минут, а в нефтяных — 40 минут.

Чтобы нагреть пружины для закалки, их помещают в заранее нагретые до определённой температуры соляные ванны или камерные печи. Во избежание деформации крупноразмерных изделий они подвергаются нагреву в приспособлении, специально для этого предназначенном.

Малоразмерные пружины

Малоразмерные пружины для закалки в печи помещают на специальном противне. Необходимо сократить время выдержки в печи до минимума для того, чтобы предотвратить окисление и обезуглероживание. Чтобы уменьшить время пребывания мелких пружин в печи, их кладут на заранее разогретый до определённой температуры противень.

Если в печи отсутствует защитная атмосфера, пружины подлежат упаковке в изолирующей среде, а также выполняется заброс небольшим количеством древесного угля.

Охлаждение пружин производится в масле. В воде охлаждать крайне не рекомендуется, так как могут возникнуть трещины на поверхности. Если охлаждение в воде необходимо, то время выдержки должно составлять 2−3 секунды, после чего нужно поместить готовый продукт в масло.

Отпуск малоразмерных пружин

Перед тем как отпустить пружины, их необходимо очистить от масла методом промывки содовым раствором или методом протирки в опилках. Если после очистки на поверхности пружин останется неудаленное масло, то при отпуске оно может вспыхнуть и изменять условия процедуры отпуска. Рекомендуемая температура отпуска — от 300 до 420 градусов по Цельсию. Крайние витки необходимо отжигать в свинцовой ванне.

Перед отпуском крупные пружины необходимо надеть на толстые трубы во избежание коррозии при нагреве.

Необходимо обращать внимание на поверхность материала, предназначенного для изготовления пружин. Всевозможные дефекты могут привести к трещинам, а обезуглероживание верхнего слоя приводит к снижению упругости изделия.

Зачастую при использовании антикоррозийных покрытий, иногда используемых для нанесения, пружины становятся хрупкими из-за перенасыщения стали водородом. Очень сильно это замечается на пружине из проволоки или из лент малых сечений. Такая хрупкость называется травильной и исправляется путём нагрева готового продукта в сушильном шкафу при температуре 150−180 градусов по Цельсию в течение 1,5−2 часов.

При большом времени травления происходит настолько сильное насыщение металла водородом, что температурная обработка не помогает устранить хрупкость и возникает необходимость отжига пружин. Чтобы избежать перенасыщения стали водородом, следует отказаться от травления перед процессом покрытия, а необходимо подвергнуть их очистке струёй песка и нагревать только после покрытия методом, описанным выше.

Пружины из отожжённого металла

Если пружины будут изготавливаться из отожжённого металла, то тогда, скорее всего, может быть необходимо не только закалить металл, так как основную роль будет играть его твёрдость. Например, при использовании в производстве толстой (более 6 мм) проволоки есть необходимость производить отпуск при температуре около 720 градусов по Цельсию. Делается это для того, чтобы придать готовому изделию прочности и только затем произвести закалку. Касаемо тех деталей, что навиваются в разогретом виде: в любом случае, здесь необходима нормализация, которая выполняется в самом начале обработки металла, перед остальными процессами.