Требования к  оформлению выполненного домашнего задания

Любая закаленная стальная деталь из-за быстрого охлаждения имеет высокий уровень закалочных (остаточных) напряжений. Это же касается и объёмной закалки топора, учитывая явную разнотолщинность разных зон этого изделия. Поэтому отпуск должен проводиться сразу после закалки (не позднее 1-2 часов) во избежание коробления или растрескивания изделия. По условиям задания твердость обуха топора в зоне крепления рукоятки должна быть не более 45 HRC, что будет гарантировать необходимый запас пластичности и сопротивление ударным нагрузкам. Очевидно, что обе цели (понижение закалочных напряжений и снижение закалочной твёрдости до нужного уровня) достигаются одновременно точным выбором режима отпуска закалённой стали [2].

Режим отпуска был выбран в соответствии с данными, приведёнными в «Марочнике». Влияние температуры отпуска стали 6ХС на её механические свойства представлены в таблице 5 (закалка при 840…860°С).

Таблица 5

Влияние температуры отпуска на механические свойства стали 6ХС

Температура

отпуска, °С

s_в

s_0,2

δ

ψ

KCU,

Дж/см²

HRC

МПа

%

-

-

-

Можно видеть, что получение твёрдости менее 45 HRC должен гарантировать отпуск стали 6ХС при температуре > 500°C. Таким образом, в соответствии с требованием задания для получения нужного уровня твёрдости можно рекомендовать отпуск при 520-540°С. Такой отпуск называется высоким; он полностью снимает закалочные напряжения и обеспечивает в сталях распад мартенсита с образованием дисперсной смеси феррита и цементита, получившей название «сорбит отпуска». Существенно, что показатели пластичности и ударной вязкости стали при таком отпуске заметно повышаются и оказываются на хорошем уровне. Это очень важно, учитывая ударный характер работы изделия.

В «Марочнике» нет прямых сведений относительно склонности стали 6ХС к обратимой отпускной хрупкости, которая проявляется во многих сталях как раз после отпуска в диапазоне температур 500… 600°С. Поэтому проанализировали другие стали аналогичной системы легирования. Есть сведения, например, о стали 33ХС: она склонна к такой отпускной хрупкости. С учётом этого факта после выбранного режима отпуска 530°C следует использовать ускоренное охлаждение изделия из стали 6ХС. Учитывая тонкое сечение металла в топоре, достаточно охлаждать топор после отпуска на воздухе или между стальными плитами. После такой термической обработки сталь 6ХС будет иметь следующий комплекс свойств: σ_в ≈ 1300 МПа, σ_0,2 ≈ 1150 МПа, δ ≥ 8%, KCU ≥ 39 Дж/см², HRC ≤ 45.

Таким образом, объёмная упрочняющая термическая обработка топора – фактически «улучшение» [2]: закалка и высокий отпуск. Однако рабочее лезвие топора на высоте до 25 мм должно иметь максимальную твёрдость – 53-56 HRC. Это требование задания может быть выполнено путём применения дополнительной местной закалки лезвия с использованием индукционного нагрева токами высокой частоты  (ТВЧ) [3].

Скоростной индукционный нагрев осуществляется при помещении изделия в специальной индуктор, создающий переменное электромагнитное поле высокой частоты [3]. В соответствии с законами электродинамики в изделии возникает переменный ток, сосредоточенный в тонком слое металла, который разогревается за счёт тепла Джоуля-Ленца. Регулируя частоту поля, можно создать условия, обеспечивающие определённую глубину поверхностного нагрева или полный прогрев тонкого сечения (как в нашем случае). При этом скорость нагрева весьма высока (100…500°С/с). При таких скоростях нагрева температуры критических точек всех сталей существенно повышаются, поэтому режим скоростной закалки назначается технологом по особым правилам, где главные параметры – скорость и температура нагрева, поскольку собственно выдержку при этом фактически не делают [3].

При местном скоростном нагреве детали во многих случаях для закалки не применяют специальную охлаждающую среду, поскольку теплоотвод в холодную часть детали вполне обеспечивает высокую скорость охлаждения. Применительно к закалке ТВЧ режущей кромки топора можно (при необходимости) рекомендовать охлаждение его  нагретой части между стальными плитами, чтобы сохранить плоскостность лезвия топора. Таким образом, после скоростной закалки в рабочей части лезвия будет получена структура мартенсита, гарантирующая твёрдость 58-59 HRC. После такой местной закалки лезвия топор необходимо подвергнуть низкому отпуску при 250⁰С (см. табл.5) для достижения в лезвии твердости 53…56 HRC и понижения в нём закалочных (остаточных) напряжений.

Скоростная закалка изделий с использованием токов высокой частоты – сложная техническая и технологическая проблема, однако её применение при массовом производстве (как указано в задании) и технически, и экономически обосновано.

Рисунок 1 – Схема упрочняющей термической обработки строительного топора из стали 6ХС.

ИТОГ: В результате выполненного домашнего задания, для изготовления строительного топора была выбрана экономно легированная сталь 6ХС и рекомендована комбинированная упрочняющая термическая обработка, гарантирующая получение высокой твёрдости лезвия (53…56 HRC) и твёрдости полотна и обуха топора не более 45 HRC. Топор может выдерживать ударные нагрузки уровня 39Дж/см² при эксплуатации в условиях 20 ⁰С и до 21 Дж/см² при температурах до -60°С. Полная схема разработанной упрочняющей термической обработки стали 6ХС представлена на рис.1. Она включает объёмную закалку при температуре 840…860°C, охлаждение в масле, высокий отпуск при 520-540°С с ускоренным охлаждением, закалку лезвия топора с нагревом ТВЧ, отпуск при 250°С.

В соответствии с разработанной схемой упрочняющей термической обработки можно представить последовательность структурных превращений в стали 6ХС на каждой её стадии.

 Исходное структурное состояние стали – феррит и перлит с преобладанием перлитной компоненты, т.к. сталь с повышенным содержанием углерода.

Объёмная закалка:

 Нагрев – превращение протекает в две стадии:

· при переходе стали  через Ас₁ перлит превращается в аустенит;

· при переходе стали через Ас₃ завершается превращение смеси феррита и аустенита в аустенит, химический состав которого при выдержке становится однородным и соответствует содержанию элементов в стали.

Охлаждение в масле гарантирует бездиффузионный характер превращения аустенита и получение структуры мартенсита во всём объёме изделия.

Высокий отпуск при 530⁰С – в процессе выдержки протекает распад мартенсита с образованием феррито-цементитной смеси (образуется сорбит отпуска) и полностью  снимаются закалочные напряжения.

Скоростная закалка лезвия – в рабочей зоне лезвия топора дисперсная  феррито-цементитная смесь (сорбит отпуска) в условиях скоростного нагрева и значительного превышения критической точки Ас₃ превращается в аустенит. Такое  превышение критической точки позволяет не проводить выдержку при выполнении скоростной закалки. Ускоренное охлаждение гарантирует получение в рабочей зоне лезвия топора  мартенситной структуры и высокой твёрдости.

Низкий отпуск при 250⁰С – понижает закалочные напряжения в зоне лезвия, формирует структуру мартенсита отпуска и немного снижает твёрдость до заданного уровня.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Таким образом, в результате выполнения домашнего задания для изготовления строительного топора выбрана экономно легированная сталь 6ХС,  разработан режим её комплексной упрочняющей термической обработки, гарантирующий получение заданных свойств в строительном топоре: твёрдость рабочего лезвия 53-56 HRC, твёрдость в зоне обуха менее 45 HRC, ударная вязкость при – 600С 21 Дж/см2.

ВОПРОСЫ ДЛЯ САМОПРОВЕРКИ:

1) Что понимают под критическими точками стали, и каким образом они используются при определении режима упрочняющей термической обработки?

2) Как выбирается охлаждающая среда при проведении закалки стали, какую роль при этом играет химический состав стали и геометрия детали?

3) Как выбирается оптимальный режим отпуска стали при проведении упрочняющей термической обработки?

4) В каких случаях для изделия следует применять комбинированную упрочняющую термическую обработку?

ЗАКЛЮЧИТЕЛЬНЫЙ ЭТАП. Необходимо представить список литературы, использованной при выполнении домашнего задания: конкретное издание «Марочника сталей и сплавов» (под редакцией В.Г. Сорокина или А.С. Зубченко), конспект лекций по курсу «Материаловедение» с указанием ведущего преподавателя, другую учебную или техническую литературу.

  ЛИТЕРАТУРА, ИСПОЛЬЗОВАННАЯ ПРИ ВЫПОЛНЕНИИ ДОМАШНЕГО ЗАДАНИЯ:

1. Марочник сталей и сплавов /под ред. В.Г. Сорокина. - М.: Машиностроение, 1989.- 640 с.

2. Конспект лекций по курсу «Материаловедение» (лектор …)

Отчёт по выполненному домашнему заданию оформляется по правилам ГОСТ 7.32-2001 на листах формата А4. Отчёт должен иметь титульный лист с указанием фамилии и инициалов студента, индекса его группы, фамилии и инициалов преподавателя-консультанта, номера задачи и её варианта.

На первой странице отчёта приводится полный текст задачи, включая эскиз детали и все исходные параметры для заданного варианта. Текст отчёта должен быть структурирован по этапам выполнения домашнего задания.

В первой части отчёта (по результатам выполнения этапа 1 или этапов 1,2) необходимо:

1. Дать краткий анализ условий работы детали, определить преобладающий характер нагружения металла (статический, циклический, ударный), наличие зон трения и указать основные факторы, определяющие работоспособность детали в данных условиях.

2. Дать краткую характеристику геометрических особенностей детали, определить наличие концентраторов напряжений, оценить  возможную  склонность детали  к короблению или растрескиванию при проведении упрочняющей обработки.

3. Сформулировать и изложить основные требования к структуре и свойствам стали, включая уровень прокаливаемости, которые смогут обеспечить работоспособность детали в предлагаемых условиях.

4. Дать обоснование диапазона концентрации углерода в конструкционной или инструментальной  стали, который соответствует выполнению требований п.3 (стали цементуемые, улучшаемые, азотируемые и т.д.).

Во второй части отчёта (по результатам выполнения этапа 3) необходимо:

1. На основании анализа соответствующей группы сталей в «Марочнике сталей и сплавов» выбрать и привести несколько (не менее трёх) марок сталей, которые по основным признакам близки к предъявляемым требованиям и подходят для изготовления заданной детали.

2. Сопоставить механические и технологические характеристики отобранных сталей и выбрать из них ту марку стали, которая в полной мере удовлетворяет всем исходным требованиям задачи, включая необходимый уровень прокаливаемости с учётом возможного коробления детали при закалке. Привести все обоснования по выбору именно этой марки стали.

В третьей части отчёта (по результатам выполнения этапа 4) необходимо:

1.Для выбранной марки стали привести её химический состав, критические точки, уровень прокаливаемости, рекомендовать упрочняющую обработку, гарантирующую выполнение исходных данных задачи; при этом обосновать цели и условия проведения каждой используемой операции.

2. Представить рекомендованный режим упрочняющей термической (химико-термической) обработки выбранной стали графически в координатах «температура-время».

3. Дать краткие комментарии к превращениям, протекающим на каждой стадии обработки.

4. Привести полный комплекс свойств выбранной стали после рекомендованной термической (химико-термической) обработки и сопоставить их  с исходными требованиями задачи. По результатам этого сопоставления представить заключение по выполненной работе.

5. Привести список литературы, использованной при выполнении домашнего задания.