Контрольная работа по "Химии"

Задание 4. В результате обработки червяки должны получить твердую износостойкую поверхность и вязкую сердцевину. Для их изготовления использована сталь 20ХГР. Расшифруйте марку, приведите примерный химический состав. Назначьте режим ХТО и термической обработки. Опишите сущность происходящих при термообработке превращений, микроструктуру и свойства поверхности и сердцевины детали после всей обработки.

Сталь 20ХГР по химическому составу является легированной, по качеству – качественной (содержание серы и фосфора менее до 0,035 % каждого элемента), по структуре – доэвтектоидной, по назначению – конструкционной (машиностроительной) сталью.

Из данной марки стали изготавливают зубчатые колеса, вал-шестерни, червяки, кулачковые муфты, валики, пальцы, втулки и другие улучшаемые или цементуемые детали, работающие в условиях ударных нагрузок.

Среднее содержание углерода в стали 0.2 %, легирующие элементы – хром, марганец в стали в небольшом количестве – до 1 %, бор 0,001 - 0,005 %. Высокое содержание легирующих элементов в сталях для цементуемых деталей не рекомендуется, поскольку затрудняет применение непосредственной закалки их после цементации. Непосредственная закалка высоколегированных сталей ведет к образованию в структуре цементованного слоя большого количества остаточного аустенита, снижающего  прочность изделия.

Хром повышает прочностные свойства, при этом несколько снижая пластичность.

Марганец совместно с хромом позволяют заменить дорогие хромоникелевые стали, однако эти стали менее устойчивы к перегреву и имеют меньшую вязкость.

С целью повышения прочности применяют легирование бором, но бор способствует росту зерна при нагреве.

По содержанию углерода сталь относится к низкоуглеродистым сталям. Для получения твердого износоустойчивого поверхностного слоя при вязкой сердцевине сталь подвергается цементации.

Цементация – химико-термическая обработка, заключающаяся в диффузионном насыщении поверхностного слоя стали углеродом при нагревании в соответствующей среде — карбюризаторе.

Нагрев изделий осуществляют в среде, легко отдающей углерод. Подобрав режимы обработки, поверхностный слой насыщают углеродом до требуемой глубины.

Глубина цементации (h) – расстояние от поверхности изделия до середины зоны, где в структуре имеются одинаковые объемы феррита и перлита (h.=1…2мм). Глубина цементации определяется температурой нагрева и временем выдержки.

Степень цементации – среднее содержание углерода в поверхностном слое (обычно, не более 1,2 %). Более высокое содержание углерода приводит к образованию значительных количеств цементита вторичного, сообщающего слою повышенную хрупкость.

Выберем газовую цементацию, т.к. она обладает рядом преимуществ в сравнение с цементацией в твердом карбюризаторе:

• возможность получения заданной концентрации углерода в слое (можно регулировать содержание углерода, изменяя соотношение составляющих атмосферу газов);
• сокращение длительности процесса за счет упрощения последующей термической обработки;
• возможность полной механизации и автоматизации процесса.

Как правило, цементацию проводят при температурах выше точки Ас3 (920—950°С), когда устойчив аустенит, растворяющий углерод в больших количествах.

Длительность цементации зависит от требуемой толщины упрочняемого цементованного слоя и определяется из расчета 1 ч/0,1 мм толщины цементованного слоя. Таким образом, для получения слоя глубиной 1 мм потребуется 10 ч выдержки при химико-термической обработке.

Структура цементованного слоя представлена на рис. 1.

[pic 1]

Рисунок 1 – Структура цементованного слоя

На поверхности изделия образуется слой заэвтектоидной стали, состоящий из перлита и цементита. По мере удаления от поверхности, содержание углерода снижается, и следующая зона состоит только из перлита. Затем появляются зерна феррита, их количество, по мере удаления от поверхности увеличивается. И, наконец, структура становится отвечающей исходному составу.

В результате цементации достигается только выгодное распределение углерода по сечению. Окончательно формирует свойства цементованной детали последующая термообработка. Все изделия подвергают закалке с низким отпуском. После закалки цементованное изделие приобретает высокую твердость и износостойкость, повышается предел контактной выносливости и предел выносливости при изгибе, при сохранении вязкой сердцевины.