Разработка технологического процесса термической обработки пружины из стали 60С2А

Министерство образования и науки Российской Федерации Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования

«Тульский государственный университет»

Кафедра «Физики металлов и материаловедения»

Курсовой проект Разработка технологического процесса термической обработки пружины из стали 60С2А Выполнил студент гр. 622 611

Каукина А. И Проверил Доцент кафедры ФММ Мельниченко Н.В.

Тула 2014

1. Анализ условий работы пружины из стали 60С2А Пружина-деталь общего назначения, должна иметь сквозную прокаливаемость, поскольку испытывает напряжение сжатия.

Пружины испытывают в работе многократные знакопеременные нагрузки и после снятия нагрузки должны полностью возобновлять свои первичные размеры. В связи с такими условиями работы металл, употребляемый для изготовления пружин, должен владеть, кроме необходимой прочности в условиях статичной, динамической или циклической нагрузок, достаточно хорошей пластичностью, высокими пределами упругости и выносливости и высокой релаксационной стойкостью, а при работе в агрессивных средах (атмосфере пара, морской воде и др.) должен быть также и коррозионностойким.

Не менее важны для металла пружин также технологические свойства: малая склонность к росту зерна и обезуглероживанию в процессе термической обработки, глубокая прокаливаемость, низкая критическая скорость, малая чувствительность к отпускной хрупкости.

На качество пружин влияет состояние поверхности прутиков, провода и полос, наличие внешних дефектов (трещин, раковин, заусенцев, окалины и др.), а также обезуглероженного слоя снижает упругие и циклические свойства металла. Поэтому внешние дефекты на поверхности прутиков и полос должны быть удалены зачисткой или шлифованием, а глубина обезуглероженного слоя не должна превышать определенную норму, установленную ГОСТом на рессорно-пружинную сталь.

Высокие свойства (максимальные пределы упругости и выносливости) пружины и рессоры имеют при твердости HRC 40−45 (структура — тростит), которая достигается после закалки (с равномерным и полным мартенситным превращением по всему объему металла) и среднего отпуска при 400−500 0С (в зависимости от стали).

2. Характеристика стали 60С2А, химический состав и механические свойства.

Назначение — высоконагруженные пружины, торсионные валы, пружинные кольца, цанги, фрикционные диски и др.

Химический состав стали 60С2А:

Технологические свойства Температура начала ковки 1200 0С, конца 800 0С.

Образцы сечением до 250 мм охлаждаются на воздухе, 251−350мм — в яме.

Свариваемость — не применяется для сварных конструкций.

Обрабатываемость резанием — в горячекатаном состоянии при НВ 270−320, Gв= 1080МПа.

К отпускной хрупкости несклонна.

Механические свойства стали 60С2А Температуры критических точек стали 60С2А:

Ас1 — 770 °C Ас3 — 820 °C Мн — 305 °C Структурный класс — эвтектоидная сталь Класс по твердости и вязкости — высокой твердости Класс по химическому составу — низколегированная сталь Класс по качеству — высококачественная конструкционная.

3. Разработка маршрутной технологии изготовления пружины

1. Получение заготовки — провод (кузнечный цех).

2. Предварительная термообработка — отжиг полный (термический участок кузнечного цеха).

3. Контроль твердости (термический участок кузнечного цеха).

4. Предварительная механическая обработка (механический цех).

5. Окончательная термообработка — закалка, отпуск средний (термический участок механического цеха).

6. Контроль твердости (термический участок механического цеха).

7. Окончательная механическая обработка (механический цех).

8. Контроль качества готовой детали (механический цех).

Пружинную сталь перед пуском в производство избирательно контролируют по длине прутиков, диаметра и состояния поверхности. Контролю подлежит не менее трёх прутков с измерениями сечения не меньше чем в пяти местах (по середине и концам).

Технология изготовления цилиндрических винтовых пружин предусматривает выполнение следующих операций:

Резание прутиков. Заготовки нарезают в холодном или нагретом к температуре 750−900 0C состоянии на пресс-ножницах или эксцентриковых прессах.

Оттяжка концов заготовки. Перед завивкой концы заготовок нагревают в щелевых печах к температуре 900−950 0С. Печь перед нагревом должна быть прогрета до температуры 1150−1250 0С. Длина конца заготовки, которая нагревается, не менее 0,8 длины оттяжки. Температура в конце оттяжки не менее 800 0С. Длительность нагрева 8−15 мин. Концы оттягивают на молотых или на ковочных (обжимных) вальцах.

Нагрев под навивку и навивка. Пружины навивают и закаляют из одного нагрева заготовки до температуры 900−950 0С в полуметодической печи. Длительность нагрева должна быть 10−30 мин. Навивку нагретых прутиков выполняют на специальных станках.

Для мелкосерийного производства используют токарно-винторезные станки, оборудованные соответствующими приспособлениями для навивки. После навивки выравнивают шаг витков на калибровочном прессе, поджимают концы пружины и проверяют ее высоту, а с помощью угольника определяют перпендикулярность пружины к ее опорной поверхности по высоте.

Термическая обработка. Предварительная — отжиг полный; окончательная — закалка, отпуск средний. Твердость металла после отпуска должна составлять 370−440 НВ (40−47 HRC). Если технологически невозможно навить и закалить пружину из одного нагрева, то после навивки ее повторно нагревают под закалку.

Механическая обработка (сжатие для снятия остаточной деформации, обработка торцов). Остаточную деформацию снимают после охлаждения пружины одноразовым сжатием до соприкосновения витков с выдержкой 5−8 с. Торцы пружин с диаметром больше 8 мм обрабатывают на лобовых и торцевых шлифовочно-обдирочных станках с охладительной жидкостью, с диаметром прутика до 8 мм на токарных верстаках.

Упрочнение (наклеп). Наклеп проводится в дробеметной установке. Режим наклепа устанавливают такой, при котором каждая точка поверхности пружины находится под действием потока дроби на протяжении 20−30 с. Подача дроби 70−100 кг/мин, диаметр дробин 0,8−1,2 мм. После наклепа пружины должны иметь поверхность светлого (серебристого) цвета без зон с черновиками. Кроме дробеметной обработки, для упрочнения пружин применяют метод заневоливания, который заключается в выдержке пружин в сжатом состоянии на протяжении определенного времени, и метод многократного обжатия с дальнейшим наклепом дробью. При заневоливании пружину после термической обработки сжимают полностью и выдерживают в таком состоянии 20−40 ч и потом разгружают. При методе многократного обжатия пружину подвергают 5−10-кратной нагрузке-разгрузке на прессе, а также к столкновению витков.

В результате пружина получает остаточное оседание и приобретает окончательную высоту в свободном состоянии, а в самой пружине создается остаточное напряжение обратного знака, в результате чего при ее работе истинное напряжение оказывается меньше, чем они были бы без заневоливания.

Пружина получает способность выдерживать большую нагрузку и имеет увеличенный рабочий прогиб при тех же габаритных размерах.

4. Разработка технологического процесса термической обработки пружины пружина термообработка деталь сталь

4.1 Разработка технологического процесса предварительной термической обработки пружины Полный отжиг заключается в нагреве стали на 30−50 0C выше верхней критической точки для полного превращения структуры стали в аустенит и дальнейшем медленном охлаждении до 500−600 0C для образования феррита и перлита. Скорость охлаждения около 50−100 0C/час.

4.2 Разработка технологического процесса окончательной термической обработки изготовления пружины Окончательная термообработка пружины включает закалку и средний отпуск.

Закалка. Температура закалки для стали 60С2А составляет 850−870 0С. Охладительная среда при закалке — масло.

Закалку делают таким образом. Партию пружин укладывают и закрепляют на дне сетчатой металлической корзины. Пружины заранее подогревают, если этого требует технология обработки стали, потом помещают в печь нагретую до заданной температуры и выдерживают при этой температуре до полного прогревания металла по всему сечению. Длительность выдержки зависит от размера сечения провода и марки стали. После этого делается закалка в закалочной среде. Для предупреждения искривления при нагреве под закалку пружины сжатия перед термической обработкой скрепляют мягким стальным проводом, соединяя торцевые (нерабочие) витки с рабочими витками. Иногда для предупреждения искривлений и искажений формы пружины применяют приспособление (рис. 4.1.), а также простые швеллерные балки.

Рис. 4.1 Приспособление для термической обработки пружин, а — с посадкой пружины в стакан б — с посадкой пружины на оправу

1 — ограничитель

2 — съемная верхняя опорная площадка

3 — пружина

4 — нижняя опорная площадка

5 — оправа Для закалки больших пружин применяют чугунные обоймы. Обойма имеет форму бруса, в котором просверливаются отверстия с отступлением для установки пружины. Обойма заполняется пружинами и устанавливается в печь для нагрева. Закалку осуществляют при осторожном погружении пружин в закалочную среду вместе с обоймой.

Закалочными средами для пружинных сталей могут быть масло, вода, воздух и др. Жидкая закалочная среда помещается в специальный бак, который имеет систему охлаждения, — для регулирования температуры закалочной среды. При закалке в воде происходит очень резкое охлаждение, которое способствует образованию трещин в материале пружин. Такую закалку применяют для пружинных сталей очень редко, а если применяют, то добавляют в воду разные примеси (известь, мыло, мел и др.), для того, чтобы уменьшить скорость охлаждения пружинной стали.

Температура закалочной среды оказывает большое влияние на структуру и свойства стали после закалки. Например, если температура масла под закалку равняется 60 0C, то пружина не получает полной закалки, а закалка пружины в масле, нагретом до температуры 30 0C, дает необходимую твердость. Масло является самой распространенной средой для закалки. Ее приложение обеспечивает изготовление пружин хорошего качества с наименьшим браком по термической обработке.

Все закалочные среды имеют разную теплопроводность, и наиболее нагретые слои среды находятся в верхней части закалочного бака. Для того, чтобы температура среды была равномерна по всему объему, через нее с помощью специальной трубки продувают сжатый воздух. Применяют и другие способы охлаждения и перемешивания закалочных сред.

Отпуск средний. Для повышения вязкости и устранения внутреннего напряжения все пружины после закалки подвергают отпуску в двухзонных конвейерных печах. При этом наибольший интервал между закалкой и отпуском допускается не больше 4 часа. Температура отпуска должна быть в пределах 430−460 0С. Охлаждают в воде, температура которой не должна превышать 100 0C, или на воздухе в закрытом помещении.

Отпуск пружин из патентованного провода заключается в нагреве его до температуры 250 — 350 0C и выдержке при этой температуре на протяжении 15 — 30 мин. Если не делать отпуск пружин из патентованного провода, то при трехкратном и больше обжатии при столкновении витков свободная высота пружины уменьшается, а пружина делает оседание без изменения количества витков и увеличивается в диаметре.

При выполнении отпуска для таких пружин величина осадки при трехкратном и больше обжатии уменьшается почти вдвое, а упругие свойства увеличиваются. При этом внешний диаметр отпущенной пружины несколько уменьшается, а количество витков увеличивается на 1−2%. Все изменения размеров пружин из патентованного провода, которые происходят при термической обработке, должны быть учтены при навивке на автоматах, а также при выборе оправлений и шага навивки пружин.

Термическая обработка пружин уменьшает остаточные деформации за счет уменьшения внутреннего напряжения, увеличивает упругие свойства и вязкость, благодаря чему обеспечиваются высокое качество и надежная работа.

Рис. 4.2 Режим термической обработки стали 60С2А Рис. 4.3 Микроструктура стали 60С2А: а — в отожженном состоянии — феррит+перлит, б — после закалки и отпуска — тростит (х500); травление 4%-ым спиртовым раствором азотной кислоты

4.3 Структурные превращения в стали при термической обработке Режим термической обработки показан на рис. 4.2: закалка и средний отпуск. По данным ГОСТ 14 059–79 температура закалки для стали 60С2А составляет 870? С (Ас3 = 820 0С). В качестве среды, которая охлаждает, выбираем масло. Следующий отпуск назначаем при температуре 470 0С (выше интервала температур необратимой отпускной хрупкости). Получаемая структура троостита отпуска (мелкодисперсная ферритоцементитная смесь) обеспечивает высокое сопротивление малой пластической деформации при 35−45 HRC, при этом указанный режим термической обработки (рис. 4.2) обеспечивает приобретение следующих свойств (минимальные значения):

HB? 390…480 после отпуска при 460 0С (HRC 40…50)

Снижение температуры отпуска до 420 0С повышает до 1850 МПа, до 1600 Мпа; при =4%,, KCU=0,2 МДж/м2.

Сталь 6ОС2А — сталь перлитного класса. Критические точки постоянны: Ас1 = 75 010 0С, Ас3 = 82 010 0С. Сталь подвергают полной закалке, при этом ее нагревают к образованию однородной структуры.

Следующее охлаждение в масле со скоростью больше, чем? кр (наименьшая скорость охлаждения, при которой аустенит превращается в мартенсит), обеспечивает получение мелкозернистого мартенсита.

Рассмотрим превращения, которые происходят в стали 60С2А при нагреве начальной равновесной структуры Ф+П. На практике при обычных скоростях нагрева (электропечи) под закалку перлит сохраняет свое пластинчатое или зернистое строение до температуры А1 (750 0С для стали 60С2А). При температуре А1 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 и растворение цементита в аустените.

Образование зерен аустенита происходит с большей скоростью, чем растворение цементита и перлита, потому нужна выдержка стали при температуре закалки для полного растворения цементита и получения гомогенного аустенита.

Из рис. 4.4 видно, что фазовая перекристаллизация приводит к измельчению зерна в стали.

Рис. 4.4 Схема структурных превращений в стали при нагреве При этом, чем выше дисперсность структуры перлита (Ф+Ц) и скорость нагрева стали, тем больше возникает центров зарождения аустенита, а следовательно, растет дисперсность продуктов его распада. Увеличение дисперсности продуктов распада аустенита приводит к увеличению пластичности, вязкости, уменьшения чувствительности к концентраторам напряжения.

Изменения структуры стали при закалке в масло. При непрерывном охлаждении в стали аустенит превращается в мартенсит. Мартенситное превращение развивается в сталях с высокой скоростью (1000 — 7000 м/с) в интервале температур Мн — Мк. При этом необходимо учитывать, что с увеличением содержания углерода в стали температуры Мн и Мк снижаются.

Введение

легирующих элементов также изменяет положение точек Мн и Мк. Например, введение кремния их повышает. В результате закалки стали 60С2А ее структура может иметь кроме мартенсита и некоторое количество остаточного аустенита.

Полученный мартенсит является пересыщенным твердым раствором углерода в ?-железе и имеет тетрагональную кристаллическую решетку. Атомы углерода занимают в основном октаэдрические поры.

Образование в результате закалки мартенсита приводит к большому остаточному напряжению, повышению твердости, прочности, однако при этом растет склонность к хрупкому разрушению, которое требует проведение дополнительно следующего отпуска.

Превращения в закаленной стали при среднем отпуске (470?С).

Нагрев закаленной стали до температуры А1 принято называть отпуском. Отпуск должен обеспечить приобретение необходимых эксплуатационных свойств стали. Структура стали 60С2А после закалки состоит из мартенсита и остаточного аустенита.

Рассмотрим последовательность процессов при отпуске с повышением температуры. До 80 0С диффузионная подвижность мала и распад мартенсита идет медленно.

Первое превращение при отпуске развивается в диапазоне 80…200 0С и приводит к формированию структуры отпущенного мартенсита — смеси пресыщенного углеродом ?-раствора и когерентных с ним частиц ?-карбида. В результате этого существенно уменьшается степень тетрагональности мартенсита (часть углерода выделяется в виде метастабильные ?-карбиды), уменьшается его удельный объем, снижается остаточное напряжение.

Второе превращение при отпуске развивается в интервале температур 200…260 0С (300 0С) и состоит из следующих этапов:

1) Превращение остаточного аустенита в отпущенный мартенсит;

2) Распад отпущенного мартенсита: мера его пресыщенности уменьшается до 0,15…0,2, начинается превращение ?-карбида в Fe3C — цементит и его обособление, разрыв когерентности;

3) Снижение остаточного напряжения;

4) Некоторое увеличение объема, связанное с переходом, А ост>М отп.

Третье превращение при отпуске развивается в интервале 300…400 0С.

При этом заканчивается распад отпущенного мартенсита и процесс карбидообразования. Формируется феррито-карбидная смесь, существенно снижается остаточное напряжение; повышение температуры отпуска выше 400? С активизирует процесс коалесценции карбидов, который приводит к уменьшению дисперсности феррито-цементититной смеси.

Структуру стали после низкого отпуска (до 250 оС) называют отпущенным мартенситом, структуру стали после среднего отпуска 350…500оС — трооститом отпуска; после высокого отпуска 500…600оС — сорбитом отпуска.

В стали 60С2А после полной закалки в масле и среднего отпуска при 470оС образуется структура троостита.

Рис. 4.5 Диаграмма изотермического распада переохлажденного аустенита стали 60С2А Рассчитываем критическую скорость охлаждения по формуле:

где, А1 = 770 оС;

tm — температура минимальной стойкости аустенита; tm = 640 оС;

?min — критическое время; ?кр = 6 с.

4.4 Влияние химического состава стали 60С2А на превращение в процессе термической обработки Кремний положительно влияет на структуру, механические и технологические свойства стали: снижает критическую скорость охлаждения и увеличивает прокаливаемость, уменьшает скорость распада мартенсита, сильно укрепляет феррит, повышает прочность, твердость и прежде всего упругие свойства стали, увеличивает сопротивление коррозии, снижает вязкость. Такое влияние кремния на свойства связано с его действием на матричную фазу (?-раствор) и карбиды.

Недостатки стали 60С2А: 1) склонность к обезуглероживанию; 2) склонность к графитообразованию; 3) склонность к образованию поверхностных дефектов при горячей обработке стали.

Свойства пружинной стали могут быть улучшены путем дополнительного легирования.

Легирующие элементы — кремний и марганецсильно укрепляют феррит и способствуют повышению характеристик прочности стали после термической обработки. Влияние дополнительного легирования хромом, ванадием, никелем проявляется прежде всего в уменьшении критической скорости охлаждения и повышении прокаливаемости. Карбидообразующие элементы — хром и ванадий — предупреждают обезуглероживание пружин при нагреве под закалку. Кроме того, введение ванадия способствует дальнейшему повышению прочности, поскольку приводит к образованию высокодисперсных частиц карбида МС (на основе VC) при распаде мартенсита в процессе отпуска.

4.5 Выбор оборудования для термической обработки детали пружина Выбор основного оборудования для термообработки детали пружина Камерные печи с неподвижным подом и возведением, употребляемые для нагрева сравнительно легких деталей, используются для термической обработки пружин.

Наиболее распространенными являются конструкции камерных печей с непосредственным отоплением или нижними топками. На рис. 4.5 приведенная конструкция печи с тремя нижними топками 3, что работают на газовом топливе. Для усиления циркуляции газов в рабочее пространство печи введены дополнительные горелки 2. В топке над горелкой есть отверстие 1 для подсоса продуктов сгорания и создания рециркуляции. Дымовые газы отводятся через отверстия в поду и боковых стенках рабочего окна в боров.

Рис. 4.6 Камерная печь с нижними топками

Дробеструйный наклеп.

Поверхность деталей может быть укреплена в результате ее обработки чугунной или стальной дробью. Суть процесса сводится к созданию в поверхностных слоях готовых деталей наклепа потоком дроби, которая выпускается с высокими скоростями (около 40−60 м/с). Для этой цели используются дробеметные колеса. Дробеструйный способ поверхностного укрепления деталей широко применяется в производственной практике. Укреплению наклепом дробью поддаются автомобильные и тракторные полуоси, шатуны, торсионные валы, шейки и галтели прямых и коленчатых валов, штоки, пальцы кривошипов, рессорные листы, пружины, сварные соединения и др. Дробеструйный наклеп является действенным и простым способом увеличения долговечности деталей, которые работают при переменных нагрузках, особенно рессор и пружин.

В результате использования указанного способа значительно повышается усталостная прочность деталей, которые имеют резкие концентраторы напряжения (надрезы, галтели, бурты, пазы, отверстия, неподвижные посадки и т. п.). Дробеструйная обработка способствует также образованию в поверхностных слоях благоприятного остаточного напряжения сжатия, которое может достигать 600−700 МПа.

Однако значительное остаточное напряжение сжатия в поверхностных слоях способствует появлению высокого растягивающего напряжения в другой части сечения деталей, а это может неблагоприятно обозначиться при их работе в условиях однородной статичной нагрузке, например при растягивании. Дробеструйный наклеп позволяет повысить коррозийно-усталостную стойкость.

Установка для дробеструйного наклепа аналогичная дробеметательным установкам с механической подачей дроби колесами лопаток. На рис. 4.6 изображенная установка для дробоструйного наклепа пружин. Пружина заключается между двумя валиками 10. Они приводятся во вращательное движение через натяжной ролик и цепные передачи 12 двигателем 4 и передают вращающее движение вокруг своей оси пружине. Поступательное движение пружины сообщается пальцами конвейеру 2. Наклеп дробью осуществляется двумя дробеструйными колесами 11 с диаметром колеса 500 мм, которые приводятся во вращение двигателем 5 мощностью 12 кВт. Отработанная дробь собирается к центру двумя шнековыми конвейерами 1 и поднимается ковшовым конвейером 8 вверх. Здесь дробь попадает к воздушному сепаратору, из которого металлическая пыль распыляется эксгаустером 9. Большие доли дроби диаметром 1−2 мм поступают в бункер 7, а из него по желобам 6 опять к центру рабочих колес.

Рис. 4.7 Дробоструйна установка длянаклепа пружин Очистка от масла.

В тех случаях, когда детали закаляются в масле и потом поступают на промежуточный контроль или проходят отпуск в электрических печах, их необходимо очищать от масла. Для этого детали промывают в горячем (80−90°С) 10%-ом водном растворе Na2CO3 или 3%-ом водном растворе NaOH. Простой установкой для промывания является железный бак, раствор в котором подогревается парой. Этот бак обычно располагается вблизи закалочных баков. Когда промыванию поддается большое количество деталей, применяют моющие машины. Наибольшее распространение получила конвейерная моющая машина, изображенная на рис. 4.7. Детали, которые подлежат промыванию, заключают на пластинчатый или сетчатый конвейер 5. Горячий раствор подается насосом 1 в ряд труб 3, расположенных над и под деталями; через отверстия в трубах детали обильно поливаются. Жидкость стекает вниз в железный бак 6, из которого поступает в бачок 2. Здесь она подогревается парой, которая идет по змеевику, и через сетку, которая фильтрует, опять подается насосом 1 на детали.

Моющая машина заключается в кожухе с вытяжными колпаками 4 над входным и исходным отверстиями. Промывание длится 4−8 мин. Мелкие детали промываются в корзинах.

Рис. 4.8 Моющие машины Вывод В ходе работы выполнен анализ условий работы и требований, которые предъявляются к пружине. Описана характеристика стали, химический состав и механические свойства.

Разработана маршрутная технология изготовления пружины. Выбраны виды предварительной и окончательной термообработки. На основе диаграммы изотермического распада переохлажденного аустенита стали 60С2А определенны скорости охлаждения при отжиге и закалке.

1. Гуляев А. П. Металловедение / А. П. Гуляев М.: Металлургия, 1978 648 с.

2. Горицкий В. М. Диагностика металлов / В. М. Горицкий // М.: Металлург. издат, 2004. — 408 с.

3. Золоторевский В. С. Механические свойства металлов / В. С. Золоторевский // М.: Металлургия, 1983. — 352 с.

4. Фиргер И. В. Термическая обработка сплавов: Справочник / И. В. Фиргер // Л.: Машиностроение, Ленингр. отд., 1982. — 304с.

5. Новиков И. И. Теория термической обработки / И. И. Новиков // М. Металлургия, 1978. — 392с.

.ur