2 Для изготовления высадочных и чеканочных штампов выбрана сталь 4ХВС

2. Для изготовления высадочных и чеканочных штампов выбрана сталь 4ХВС. Укажите состав и определите группу стали по назначению. Назначьте режим термической обработки, приведите его обоснование, объяснив влияние легирования на превращения при термической обработке этой стали. Опишите структуру и свойства штампов после термической обработки.

Сталь 4ХВС относится к штамповым сталям с высокой ударной вязкостью, которая может работать при повышенных температурах. Ее химический состав приведен в таблице 2.1.

Таблица 2.1
Химический состав в % стали 4ХВС
C Si
Mn
Ni
S P Cr
W Cu
0,35 – 0,45 0,6 – 0,9 0,15 – 0,4 до   0,35 до   0,03 до   0,03 1 – 1,3 1 – 1,5 до   0,3

Из стали 4ХВС делают вставки, прокладки в штампах, матрицы для штамповки болтов, заклепок. Содержание углерода снижено для повышения ударной вязкости стали, легирование хромом приводит к образованию специальных карбидов. Хром существенно снижает температуру их растворения и увеличивает тем самым легированность твердого раствора. Увеличение хрома и вольфрама в аустените благоприятно сказывается на прокаливаемости стали, а после закалки – на теплостойкость инструмента.
Вольфрам может входить в состав твердого раствора и карбидов Ме23С6, Ме6С. Увеличение содержания вольфрама способствует измельчению зерна аустенита, т.е. увеличивает стойкость к перегреву, а также повышает механические свойства стали при комнатных и повышенных температурах.
Кремний – некарбидообразующий элемент, в основном он находится в твердом растворе. Он значительно упрочняет ферритную матрицу и увеличивает окалиностойкость.
При назначении режима термической обработки необходимо ориентироваться на условии эксплуатации изделия. Типовой обработкой является закалка и отпуск, причем температуру отпуска следует выбирать на 50°С выше, чем предполагаемые условия эксплуатации.
Для штампов горячего деформирования сталь необходимо калить от повышенных температур ~1000°С для обеспечения насыщения аустенита легирующими элементами и затем проводить отпуск при ~500°С на вторичную твердость.
По заданию сталь 4ХВС применяется для производства высадочных и чеканочных штампов, т.е. предполагается незначительный разогрев рабочей поверхности. Поэтому закалку следует проводить от обычных температур, а температуру отпуска нужно выбрать из интервала 200…400°С.
Нагрев стали 4ХВС под закалку производится с температуры t=Ас3+(30…50)°С. По справочным данным Ас3=820°С [1], тогда t=820+(30…50)°С=850…870°С.
Закалочная среда должна обеспечить скорость охлаждения выше критической. Для ее выбора воспользуемся диаграммой термокинетического распада аустенита. В литературе была найдена диаграмма для стали 4ХВ2С, которая приведена на рис. 2.1, она отличается от стали 4ХВС повышенном содержанием вольфрама.

Рис. 2.1 – Диаграмма термокинетического распада переохлажденного аустенита стали 4ХВ2С [2] В соответствии с рис. 2.1, критическая скорость охлаждения находится на уровне:
Vкр=tн-tмτ
где tн- температура нагрева стали, °С;
tм – температура начала мартенситного превращения (около 315°С – рис. 2.1);
τ – время охлаждения, с.
V1=900-315100=5,85 ℃/сек
Тогда критическая скорость охлаждения для стали 4ХВС с меньшим содержанием вольфрама будет несколько выше, тем не менее закалочная среда для стали 4ХВС и 4ХВ2С должна быть одинаковой.
Согласно справочным данным такую скорость охлаждения может обеспечить индустриальное масло или сжатый воздух, но термические цеха оборудованы гораздо чаще только масляными баками, поэтому выберем эту охлаждающую среду.
Таблица 2.2
Скорость охлаждения стали в разных средах [3] Охлаждающая среда Скорость охлаждения (°С/с) при температуре, °С

650-550 300-200
Вода при температуре, °С:

18 600 270
25 500 270
50 100 270
75 30 200
Мыльная вода 30 200
Эмульсия масла в воде 70 200
Вода, насыщенная углекислотой 150 200
10%-ный водный раствор при 18°С:

едкого натра 1200 300
поваренной соли 1100 300
соды 800 270
5%-ный раствор марганцевокислого калия 450 100
Керосин 160-180 40-60
Индустриальное масло 120 25
Спокойный воздух 3 1
Сжатый воздух 30 10

Микроструктура после закалки будет состоять из мартенсита, остаточного аустенита (до 20%) и некоторого количества карбидов. Если штамп имеет большие размеры, то в центре его может после закалки получиться структура нижнего бейнита. Высокое содержание остаточного аустенита приводит к малому изменению объема стали при закалке и отпуска.
Далее необходимо провести отпуск. Температуру отпуска нужно выбрать такую, что обеспечит максимальную ударную вязкость при высокой твердости (см. табл. 2.3).
Таблица 2.3
Механические свойства стали в зависимости от температуры отпуска после закалки в масле от 880°С [4] tотп, °С Ϭ0,2, МПа Ϭв, МПа δ, % ψ, % KCU, Дж/см2
Твердость HRC
200 1600 1810 6 36 23 54
300 1530 1660 9 37 22 51
400 1350 1520 10 38 29 48
500 1160 1270 11 39 34 40
600 1040 1080 12 49 41 37

Согласно приведенным данным, высокая твердость и ударная вязкость обеспечивается при tотп~300°С, повышение температуры отпуска выше 400°С приводит к значительному падению твердости. Поэтому назначим tотп=250..300°С. Длительность отпуска должна быть увеличена для стабилизации размеров инструмента. Охлаждение можно вести на воздухе, т.к. сталь 4ХВС не склонна к отпускной хрупкости. Такой отпуск можно считать низким для стали 4ХВС, т.к. легирующие элементы сдерживают распад мартенсита при отпуске.

а)б)
Рис. 4.3 – Микроструктура стали 4ХВ»С после закалки (а) и отпуска (б)

Микроструктура после термической обработке будет состоять из мартенсита отпуска, остаточного аустенита и некоторого количества карбидов.

3. Для деталей, работающих в слабых коррозионных средах, используется сталь 20X13. Укажите состав и объясните причину введения хрома в эту сталь. Назначьте и обоснуйте режим термической обработки и опишите микроструктуру после обработки.

Сталь 20Х13 – это коррозионностойкая сталь мартенсито-ферритного. Ее марочный состав приведен в таблице 3.1.

Таблица 3.1
Химический состав в % стали 20Х13 по ГОСТ 5632 – 72 [1] C Si
Mn
Ni
S P Cr
0,16 – 0,25 до   0,6 до   0,6 до   0,6 до   0,025 до   0,03 12 – 14

Коррозионностойкие стали применяют для изготовления деталей машин и оборудования и конструктивных элементов (в основном сварных), работающих в разных агрессивных средах (влажная атмосфера, морская вода кислоты, растворы солей, щелочей, расплавы металлов и др.). Легирование коррозионностойких сталей и сплавов преследует достижение высокой коррозионной стойкости в рабочей среде и обеспечение заданного комплекса физико-механических характеристик.
Легко пассивирующимися металлами являются алюминий, хром, никель, титан, вольфрам, молибден. Легирование ими слабо пассивирующихся металлов, например железа, сообщает сплавам склонность к пассивации при условии образования твердых растворов. При переходе в пассивное состояние наблюдается повышение электродного потенциала, который становится более электроположительным (рис. 3.1). Такое состояние для железа наступает при содержании хрома в твердом растворе свыше 12 % скорость коррозии снижается (рис. 3.2), при этом устойчивость пассивного состояния зависит от состава коррозионной среды [5].
Смещение электродного потенциала сплава в положительную сторону происходит и при добавках меди, платины, палладия, введение которых называется катодным легированием, что также может облегчить пассивирование сталей и сплавов. Это позволяет значительно повысить коррозионную стойкость коррозионностойких сталей во многих агрессивных средах (рис. 3.2).

Рис. 3.1 – Влияние хрома на изменение потенциала φ железохромистых сталей с 0,1%С в нормальном растворе сульфатного железа (а) и скорость коррозии К в морской воде (б) [5]

Рис. 3.2 – Влияние катодных присадок на скорость К коррозии стали 10Х18Н9 в серной кислоте различной концентрации при испытании в течение 300 ч.[5]

Основной легирующий элемент коррозионностойких сталей хром. В составе применяемых в настоящее время сталей содержание хрома обычно находится в пределах от 11% до 30%.
Коррозионностойкие стали принято классифицировать по структуре на стали аустенитного класса, мартенситного, ферритного, феррито-мартенситного класса.
Сталь 20Х13 относится к мартенситно-ферритному классу. Микроструктура стали этого класса приведена на рис. 3.3.

Рис. 3.3 – Сталь 20Х13 после нормализации

Сталь 20Х13 обладает хорошей коррозионной стойкостью в атмосферных условиях, в слабоагрессивных средах (в слабых растворах солей, кислот) и имеет высокие механические свойства. В основном ее используют для изделий, работающих на износ, в качестве режущего инструмента, в частности ножей, для упругих элементов и конструкций в пищевой и химической промышленности, находящихся в контакте со слабоагрессивными средами (например, 4—51%-ная уксусная кислота, фруктовые соки и др.).
Эта сталь применяется после закалки и отпуска на заданную твердость. Благодаря малой критической скорости закалки сталь 20Х13 калятся на мартенсит при охлаждении на воздухе (см. рис. 3.4.)

а)б)
Рис. 3.4. – Изотермическая (а) и ССТ-диаграмма (б) распада переохлажденного аустенита стали 20Х13 [2]

Закалку изделий проводят от температур 950-1020°С, так как только выше этих температур происходит полное растворение в аустените карбидов Сг23С6. После закалки сталь отпускают на требуемую твердость. В интервале 480-520 °С наблюдается существенное снижение пластичности и ударной вязкости сталей из-за развития отпускной хрупкости, поэтому после отпуска сталь 20Х13 нужно охлаждать в воде.
Таблица 3.2
Механические свойства при Т=20oС стали 20Х13 в зависимости от температуры отпуска [1] tотп, °С Ϭ0,2, МПа Ϭв, МПа δ, % ψ, % KCU, Дж/см2
Твердость HRC
200 1300 1600 13 50 81 46
300 1270 1460 14 57 98 42
450 1330 1510 15 57 71 45
500 1300 1510 19 54 75 46
600 920 1020 14 60 71 29
700 650 780 18 64 102 20
После закалки сталь 20Х13 имеет высокую коррозионную стойкость. Отпуск при 200-400°С проводят для снятия внутренних напряжений; он не оказывает влияния на коррозионную стойкость. При отпуске выше 500 °С происходит распад мартенсита на феррито-карбидную смесь и выделение карбидов типа Ме23С6, структура стали становится гетерогенной, ферритная матрица обедняется хромом, коррозионная стойкость резко снижается. Отпуск при более высоких температурах повышает коррозионную стойкость. Чем больше в стали углерода, тем больше выделяется карбидов хрома и тем сильнее снижается коррозионная стойкость. В связи с этим в практике используют стали с переменным содержанием углерода и хрома: чем выше в стали содержание углерода, тем больше требуется хрома для обеспечения необходимой коррозионной стойкости. Так, если при 0,2-0,4 %С необходимо 13-15% Cr – что и обуславливает интервал химического состава стали 20Х13.

4. Для изготовления ответственных деталей (втулки, клапаны, зубчатые колеса и т.п.) выбран сплав БрАЖН10-4-4. Расшифруйте состав, укажите режим термической обработки, механические свойства и опишите структуру, используя диаграмму состояния медь-алюминий.

Сплав БрАЖН10-4-4 – это алюминиевая бронза, дополнительно легированная железом и никелем. Бронзы – это сплавы на основе меди, основными, легирующими элементами которых являются иные, кроме цинка, компоненты, прежде всего: олово (оловянные бронзы); алюминий (алюминиевые бронзы); кремний (кремнистые бронзы); бериллий (бериллиевые бронзы); свинец (свинцовые бронзы). Марочный состав сплава БрАЖН10-4-4 приведен в таблице 4.1.

Таблица 4.1
Химический состав в % сплава БрАЖН10-4-4 по ГОСТ 493 – 79 [6] Fe
Si
Mn
Ni
P Al
3,5 – 5,5 до   0,2 до   0,5 3,5 – 5,5 до   0,1 9,5 – 11
Примечание: Cu – основа

Участок диаграммы состояния сплавов системы Cu – Al приведен на рисунке 4.1. а. В промышленных бронзах содержание алюминия не превышает 11% (по массе). В сплавах могут присутствовать следующие фазы:
α-твердый раствор алюминия в меди с ГЦК-решеткой;
β-фаза – промежуточная фаза переменного состава на базе электронного соединения Cu3Al ( n = 3/2 );
1 -фаза – промежуточная фаза переменного состава на базе электронного соединения с примерной формулой Cu9Al4 ( n = 21/13 );
2 -фаза – промежуточная фаза переменного состава на базе соединения, примерно описываемого формулой Cu32Al19 ;
фазы – промежуточные фазы переменного состава на базе соединений между медью и алюминием при различном соотношении компонентов;
φ- твердый раствор меди в алюминии.

а)б)
Рис. 4.1 – Участок диаграммы состояния сплавов системы Cu – Al, соответствующий концентрации промышленных сплавов (а) и кривые изменения свойств алюминиевых бронз (б)

Медь с алюминием образуют -твердый раствор, растворимость алюминия в котором при понижении температуры от 1035 до 565°С увеличивается от 7,4 до 9,4 %. При температуре Т=1035 – Т,°С, в сплавах с содержанием алюминия от 7,4 до 9% происходит эвтектическое превращение: Ж эвтектика. При температуре Т = 565 – Т,°С, -фаза претерпевает эвтектоидное превращение: ).
Несмотря на то, что предельная растворимость алюминия в – твердом растворе составляет 9,4 %, при реальных скоростях охлаждения, в отличие от равновесного состояния, эвтектоид появляется в структуре алюминиевых бронз при содержании 6 – 8 % алюминия. Это влияет на характер изменения свойств алюминиевых бронз. С увеличением содержания алюминия до 4-5% наряду с твердостью и прочностью повышается и пластичность алюминиевых бронз. Появление эвтектоида приводит к резкому снижению пластичности сплавов, прочность же продолжает расти при увеличении содержания алюминия до 10-11%.
Алюминиевые бронзы отличаются высокими механическими, антикоррозионными и антифрикционными свойствами. По сравнению с оловянными бронзами, они характеризуются меньшей стоимостью, более высокими механическими и некоторыми технологическими свойствами. Вследствие небольшого интервала кристаллизации алюминиевые бронзы имеют высокую жидкотекучесть, концентрированную усадку и хорошую герметичность, малую склонность к дендритной ликвации. Однако, из-за большой усадки иногда трудно получить сложные фасонные отливки из алюминиевой бронзы.
По своей структуре алюминиевые бронзы подразделяются на:
– однофазные со структурой – твердого раствора; они содержат, в основном, до 7-8% алюминия;
– двухфазные, в структуре которых, кроме твердого раствора , содержатся участки эвтектоида ( + ).
Сплав БрАЖН10-4-4 относится к двухфазным бронзам, содержащим 9-11% алюминия. Двухфазные бронзы выпускают в виде деформируемого полуфабриката, а также применяют для изготовления фасонных отливок. При наличии большого количества эвтектоида бронзы подвергают не холодной, а горячей обработке давлением. Двухфазные бронзы отличаются высокой прочностью ( в 600 Н/мм2) и твердостью. Они могут быть упрочнены термической обработкой. При закалке – фаза претерпевает мартенситное превращение (см. рис.4.2).

а)б)
Рис. 4.2 – Микроструктура железо-алюминиевой бронзы: а) в литом состоянии; г) после деформации и отжига: – твёрдый раствор (светлые кристаллы), участки эвтектоида +2 (темные поля), включения FeAl3 (темные точки в зерна – фазы): х100

Железо оказывает модифицирующее действие на структуру алюминиевых бронз, повышает их прочность, твердость и антифрикционные свойства, уменьшает склонность к охрупчиванию двухфазных бронз из-за замедления эвтектоидного превращения -фазы и измельчения кристаллов -фазы, образующейся при этом превращении. В -фазе алюминиевой бронзы растворяется до 4% железа. При большем содержании железа образуется избыточная фаза Al3Fe. Дополнительное легирование таких сплавов никелем и марганцем способствует появлению включений этой избыточной фазы при меньшем содержании железа. Наилучшей пластичностью Al – Fe – бронзы обладают после термической обработки, частично или полностью подавляющей эвтектоидное превращение -фазы (нормализация при 600-700°С или закалка от 950 °С). Отпуск закаленной бронзы при 250-300°С приводит к распаду -фазы с образованием тонкодисперсного эвтектоида ( + ) и повышению твердости до НВ 175-180 ед.
Никель улучшает технологические и механические свойства алюминиево – железных бронз, в том числе и при повышенных температурах. Приводя к резкому сужению области – твердого раствора при понижении температуры, никель способствует реализации дополнительного упрочнения алюминиевых бронз, легированных железом и никелем, после закалки вследствие старения.
Механические свойства сплава БрАЖН10-4-4 приведены в таблице 4.2.
Таблица 4.2
Механические свойства сплава БрАЖН10-4-4
Состояние Ϭв, МПа δ, % KCU, МДж/м2
Отжиг 650 35 0,42
Литье в кокиль >590 >6 —

Этот сплав жаропрочен до 250…400°С и имеет наименьшую ползучесть по сравнению с другими алюминиевыми бронзами (см. рис. 4.3).

Рис. 4.3 – Влияние температуры испытаний на механически свойства меди и ее сплавов [6]

Бронза марки БрАЖН10-4-4 в отожженном состоянии имеет следующие свойства: в=650 Н/мм2, = 35%, твердость НВ 140-160 ед. После закалки от 980°С и старения при 400°С, 2 часа, твердость увеличивается до НВ 400 ед.
Благодаря приведенным выше свойства из Al – Fe – Ni – бронз изготавливают ответственные детали, работающие в тяжелых условиях износа при повышенных температурах (400-500°С): седла клапанов, направляющие втулки выпускающих клапанов, части насосов и турбин, шестерни и т.д.

Литература
Сорокин В.Г. Марочник сталей и сплавов. – М.: Машиностроение, 1989. – 638с.
Попов А.А., Попова Л.Е. Изотермические и термокинетические диаграммы распада переохлажденного аустенита. – М.: Металлургия, 1989. – 348 с.
Фиргер И.Ф. Термическая обработка сплавов: Справочник. – Л.: Машиностроение, Ленинградское отделение, 1982. – 304 с.
Мишиностроение. Эциклопедический справочник под ред. Е.А. Чудакова в 15 томах: Том 3. – М.: ГНТИМЛ, 1947. – 738 с.
Гольдштейн М.И., Грачев С.В., Векслер Ю.Г. Специальные стали и сплавы. – М.: Металлургия, 1985. – 408 с.
Колачев Б.А., Елагин В.И., Ливанов В.А. Металловедение и термическая обработка цветных металлов и сплавов. – М.: МИСИС, 1999. – 416с.

sl2007 5.0

Выполняю работы по экономике, бухучету, статистике, менеджменту, маркетингу, логистике, английскому языку, информационным технологиям, гуманитарным дисциплинам.

Нанять автора

Готовые работы на продажу

Так же вы можете купить уже выполненные похожие работы. Для удобства покупки работы размещены на независимой бирже. Нажимая "Купить" вы будете перенаправлены на страницу карточки работы.

Гарантия на работу 10 дней.

Разработка технологии сварки секции верхней, выполненной из стали Ст20

3500₽

• Курсовая работа
• Машиностроение
• Выполнил: Zemi

Купить

Выбираем материал резца для корпуса — сталь 40Х (твердость 42—46 5 HRCЭ оксидировать)

90₽

• Решение задач
• Машиностроение
• Выполнил: vladmozdok

Купить