Технология термической обработки

Введение

Актуальными в настоящее время являются вопросы повышения надёжности и долговечности машин, приборов, установок, повышение их качества и эффективности работы, а следовательно, вопросы экономии металлов, борьбы с коррозией и износом деталей машин. Роль этих проблем в долговечности машин и механизмов, приборов и других особенно возросла в настоящее время, так как развитие большинства отраслей промышленности (авиационная, ракетная, теплоэнергетика, атомная энергетика, радиоэлектроника и др.) связано с повышением нагрузок, температур, агрессивности сред, в которых работает деталь. Решение этих проблем прежде всего связано с упрочнением поверхностных слоёв изделий.

Изменить свойства поверхности можно различными способами: нанесением на поверхность нового материала с необходимыми свойствами; изменением состава поверхностного слоя металла.

Во втором случае поверхностные слои металла подвергают диффузионной химико-термической обработке (ХТО), в результате которой на поверхности изделия образуется новый, отличающийся от сердцевины, сплав.

ХТО позволяет получить в поверхностном слое изделия сплав практически любого состава и, следовательно, обеспечить комплекс необходимых свойств - физических, химических, механических и других.

Одним из распространённых методов ХТО является цементация. Процесс цементации широко применяют в промышленности благодаря его высокой эффективности и доступности. Он позволяет создавать на рабочей поверхности детали слой, обладающий высокой твёрдостью после закалки, износостойкостью, эрозионной стойкостью, контактной выносливостью и усталостной прочностью при изгибе. Эти свойства обеспечиваются при относительно мягкой и вязкой сердцевине, придающей детали необходимую конструктивную прочность.

1. Описание детали и условий её работы

Зубчатые колёса основными деталями большинства машин и механизмов. Они служат для передачи вращательных движений между отдельными элементами механизмов.

Вращение передаётся через зубчатое зацепление. Отказ или разрушение зубчатого колеса влечёт за собой прекращение передачи крутящего момента и отказ двигательных агрегатов. Наиболее загруженной частью зубчатого колеса является зуб. На рисунке 1 показана схема зацепления зубьев.

В процессе работы зубья испытывают ударные нагрузки, в результате чего в них возникают контактные напряжения. Поверхность зуба работает на износ, в процессе работы зубья нагреваются; для охлаждения на них непрерывно подаётся масло.

По конструкции данное зубчатое колесо представляет собой полый цилиндр. Снаружи расположены эвольвентные зубья, через которые передаётся вращательное движение от ведущего зубчатого колеса. По внутреннему диаметру данного зубчатого колеса выполнены шлицы для передачи крутящего момента на рессоры коробки агрегатов и далее ротору двигателя при его запуске, что обеспечивает подачу топлива в камеру сгорания.

В процессе работы зубчатое колесо испытывает статические, динамические, знакопеременные и вибрационные нагрузки величиной до 930 Н. Деталь работает в масляной среде с рабочей температурой до 300°С.

Рис. 2 Эскиз зубчатого колеса.

2. Технические требования, предъявляемые к материалу

термически обработанной детали

Технические требования к материалу назначаются исходя из условий работы зубчатого колеса. Учитывая, что деталь работает в достаточно сложных условиях, к ней предъявляются следующие технические требования:

- предел прочности ;

- условный предел текучести ;

- ударная вязкость ;

- твёрдость упрочнённой поверхности ;

- глубина упрочнённого слоя ;

- твёрдость сердцевины .

3. Последовательность обработки детали

Деталь от заготовки до полного изготовления проходит сложный технологический маршрут по цехам предприятия (рис. 3):

З ® КШ ® Т1 ® М1 ® Т2 ® М2 ® Сб

Рис. 3 Последовательность изготовления зубчатого колеса.

З - заготовительный цех; резка прутка на заготовки длиной 85мм, диаметром 65мм;

КШ - кузнечно-штамповочный цех; штамповка методом горячей штамповки;

Т1 - термический цех; проведение предварительной термической обработки поковок для снятия внутренних напряжений после штамповки и для подготовки структуры к дальнейшей механической обработке и термической обработке;

М1 - механический цех; проведение черновой механической обработки, нарезание зубьев и обработка наружных поверхностей для придания детали основных размеров, согласно чертежу;

Т2 - термический цех; окончательная термическая обработка для получения требуемых свойств;

М2 - механический цех; чистовая механическая обработка (шлифование рабочих поверхностей детали);

Сб - сборочный цех; сборка деталей в узел.

4. Выбор материала для данной детали и обоснование выбора

Для зубчатых колёс можно применять конструкционные цементуемые или улучшаемые стали. Учитывая, что по техническим требованиям требуются высокие характеристики, следует обратиться к легированным сталям.

Данное зубчатое колесо привода коробки агрегата авиационного двигателя работает при температуре до 300°С, поэтому для него следует выбрать одну из цементуемых теплостойких сталей с высокой твёрдостью поверхности при достаточной твёрдости сердцевины.

В настоящее время для изготовления ответственных зубчатых колёс широко применяются теплостойкие стали перлитного класса, такие как 20Х3МВФ (ЭИ415), 12Х2Н4А и 12Х2НВФА (ЭИ712)[ ], поэтому для данного зубчатого колеса следует применить цементуемые стали. Цементуемые стали делят на три группы: углеродистые стали с неупрочняемой сердцевиной; низколегированные со слабо упрочняемой сердцевиной ; относительно высоколегированные стали с сердцевиной, сильно упрочняемой при термической обработке.

Учитывая высокие требования по механическим свойствам, предъявляемые к данному зубчатому колесу, для него подходят стали третьей группы. Их химический состав и механические свойства приведены ниже в таблице1 и таблице2.

Химический состав конструкционных цементуемых сталей ГОСТ 4543-71 Таблица1

Механические свойства конструкционных цементуемых сталей Таблица2

Марка	Термическая	sв	s0,2	d	y	KCU	HRC
стали	обработка	МПа	МПа	%	%	МДж/м³	пов.	сердц.
20Х3МВФА	цементация 920...950°С выс. отпуск 650...670°С закалка 890...930°С низ. отпуск 300...320°С	£1070	£880	£10	£50	£0,7	£60	£43
12Х2Н4А	цементация 900...950°С выс. отпуск 650...670°С зак. в масле 780...800°С низ. отпуск 150...170°С	£980	£785	£12	£55	£0,1	£58	£30
12Х2НВФА	цементация 900...925°С выс. отпуск 650 ±10°С закалка 880±10°С низ. отпуск 160...250°С	£1050	£940	£15	£63	£0,6	£60	£36

Сталь 20Х3МВФА - конструкционная теплостойкая высококачественная сталь. Она относится к перлитному классу и выплавляется в открытых электрических печах, методами электрошлакового и вакуумно-дугового переплава. Сталь хорошо деформируется в горячем состоянии. Сталь удовлетворительно обрабатывается резанием. Данная сталь применяется для изготовления зубчатых колёс, втулок, пальцев и других деталей, работающих до температуры 350°С. Применение этой стали для данного зубчатого колеса нецелесообразно, так как она не удовлетворяет техническим требованиям по пластичности.

Сталь 12Х2Н4А - высококачественная легированная цементуемая сталь. В отожжённом состоянии является доэвтектоидной, а в нормализованном состоянии относится к перлитному классу. Применяется для изготовления деталей сварных конструкций, а также зубчатых колёс. Сталь хорошо деформируется в горячем состоянии; температурный интервал деформации 1180-850°С. Эта сталь хорошо сваривается, имеет достаточную прокаливаемость поверхностного слоя. После окончательной термической обработки имеет большую твёрдость. Применение этой стали для данной детали не экономично: сталь содержит много дефицитного никеля и является дорогостоящей.

Сталь 12Х2НВФА - высококачественная легированная конструкционная цементуемая сталь. В отожжённом состоянии является доэвтектоидной, а в нормализованном состоянии относится к перлитному классу. Применяется для изготовления тяжело нагруженных деталей сварных конструкций и узлов, не подвергается термической обработке после сварки. Применяется также для деталей, работающих при повышенных температурах до 500°С. Эта сталь имеет высокие прочностные характеристики, невысокую стоимость. Её целесообразно применить для данной детали.

5. Описание влияния легирующих элементов на структуру и свойства

выбранного материала

Влияние углерода.

Углерод содержится в стали в количестве 0,09...0,16%. Он имеет: температуру плавления 3500°С; плотность 2,26 г/см³; кристаллическую решётку ГЦК с параметром a равным 6,79Å. Углерод сильно влияет на свойства стали даже при незначительном изменении его содержания. Известно, что содержание углерода в стали приводит к повышению прочности и снижению пластичности. Данная сталь как раз и относится к третьей группе относительно высоколегированных сталей с упрочняемой сердцевиной. Сердцевина в таких сталях имеет структуру малоуглеродистого мартенсита. Для того, чтобы сердцевина при этом обладала достаточной пластичностью и вязкостью. Содержание углерода в таких сталях обычно ограничивается нижним пределом менее 0,2% углерода [ ].

Влияние хрома.

Хром (Cr) содержится в стали в количестве 1,9...2,4%. Имеет: температуру плавления 1655°С; плотность 7,1г/см³; кристаллическую решётку ОЦК с параметром a равным 2,86Å. Хром растворяется в и . Максимальная растворимость в =0,5% при 20°С, в =12,8% при 510°С. Хром относится к легирующим элементам, повышающим критические точки Ас3 и Ас1(рис.4).

на твёрдость цементо-

Рис.4 Часть диаграммы ванного слоя

состояния Cr-Fe

Хром понижает температуру начала мартенситного превращения (Мн) и увеличивает содержание аустенита остаточного. Хром является карбидообразующим элементом: при взаимодействии с углеродом образуются карбиды Cr7C3; Cr26C3, растворяющиеся при нагреве. Хром сильно увеличивает прокаливаемость и снижает критическую скорость закалки. Хром увеличивает прочность, при содержании более 1% снижает пластичность и ударную вязкость. Хром повышает твёрдость цементованного слоя при увеличении его содержания до 2...3%. Дальнейшее увеличение содержания хрома не приводит к повышению твёрдости цементованного слоя, поэтому в данной стали содержание хрома как раз и составляет около 2% (Рис.5). Хром оказывает значительное влияние на изменение концентрации углерода в цементованном слое. При увеличении содержания хрома концентрацию углерода следует повышать. На толщину цементованного слоя и величину зерна хром не влияет.

Влияние никеля.

Никель (Ni) содержится в стали в количестве 0,8...1,2%; имеет: температуру плавления 1455°С; плотность 8,91 г/см³; кристаллическую решётку ГЦК с параметром a равным 3,51Å. Никель растворяется в и . Максимальная растворимость в равна 80%, в никель растворяется неограниченно, то есть является аустентообразователем. Никель понижает критические точки Ас3 и Ас1, повышает критическую точку А4 (Рис.6), понижает температуру начала мартенситного превращения (Мн), увеличивает количество аустенита и уменьшает склонность зерна аустенита к росту.

закалки и отпуска

Рис.6 Часть диаграммы

состояния Fe-Ni

Сталь, легированная никелем, хорошо обрабатывается резанием, шлифуется и сваривается. Никель несколько уменьшает толщину цементованного слоя, способствует измельчению зерна сердцевины. Изменение содержания никеля от 0 до 2% не оказывает существенного влияния на теплопрочность и твёрдость стали. При содержании 0,8...1,2% в стали 12Х2НВФА никель обеспечивает хорошие механические свойства. Никель повышает прочность и делает сталь менее чувствительной к пластической деформации. Никель оказывает большое влияние на структуру и свойства цементованного слоя (Рис.7). Он затрудняет диффузию углерода, вызывает уменьшение глубины слоя. В сталь нельзя вводить большое количество никеля, так как уменьшается твёрдость цементованного слоя за счёт образования остаточного аустенита (Рис.8). Никель в комбинации с другими элементами, например с хромом, способствует увеличению прочности при повышенных температурах. Это единственный элемент, который повышая твёрдость и прочность, не снижает пластичность и вязкость.

Влияние вольфрама.

Вольфрам (W) содержится в стали в количестве 1,0...1,4%. Имеет: температуру плавления 3410°С; плотность 19,3 г/см³; кристаллическую решётку ОЦК с параметром a равным 3,16Å. Вольфрам повышает критическую точкуА1, тем самым он сужает

- область и расширяет - область (Рис.9).

Рис.9 Часть диаграммы

состояния Fe-W

Присутствие в стали вольфрама препятствует образованию грубой цементитной сетки, обуславливающей хрупкость поверхностного слоя при увеличении глубины слоя цементации. Вольфрам сильнее хрома повышает устойчивость стали против отпуска. Вольфрам отрицательно влияет на тепопроводность стали. Таким образом вольфрам, в данной стали повышает твёрдость цементованного слоя.

Рис.10 Часть диаграммы

состояния Fe-V

Ванадий является сильным карбидообразующим элементом, способен упрочнять твёрдый раствор. При взаимодействии с углеродом ванадий образует карбид VC и тем самым повышает твёрдость цементованного слоя.

6. Разработка технического процесса термической обработки детали

6.1 Выбор операций термической обработки и определение режимов операций

Цементация.

Цементация - процесс насыщения поверхностного слоя стали углеродом с целью повышения прочности, твёрдости и износостойкости поверхностного слоя.

За глубину цементованного слоя принимают расстояние от поверхности до переходной зоны.

Различают следующие виды цементации: цементация с применением твёрдого карбюризатора; газовая цементация с применением жидкого или газового карбюризатора.

Наиболее перспективным является газовая цементация. По сравнению с цементацией в твёрдом карбюризаторе она имеет следующие преимущества: значительно сокращается длительность процесса благодаря быстрому нагреву детали; возрастает пропускная способность оборудования, что ведёт к повышению производительности труда; улучшаются условия труда; появляется возможность автоматизации процесса.

Газовая цементация может проводиться с применением жидкого и газового карбюризатора. В качестве жидкого карбюризатора, как правило, применяется синтин, а в качестве газового - эндогаз.

Синтин получают из окиси углерода и водорода, образующихся при переработке твёрдого топлива. Синтин - это бесцветная жидкость, содержащая 90% парафиновых предельных углеводородов. Скорость цементации при применении синтина повышается на 20% и на 50% понижается выделение сажи и кокса.

В шахтных печах жидкий карбюризатор подаётся каплями, а имеющийся вентилятор создаёт движение газового потока, и цементация протекает равномерно. Для уменьшения сажеобразования карбюризатор подают топливным насосом через форсунки в распылённом состоянии. Оптимальный расход синтина составляет 0,8л газа на 1см³. Состав образующегося газа: СО 20...28%, Н2 55...75%, СН4 2...5%. Режим подачи синтина при насыщении определяют опытным путём.

Для легированных сталей температура цементации применяется выше точки Ас3, когда устойчив аустенит, способный растворить в больших количествах углерод. Для стали 12Х2НВФА имеющей точку Ас3 равной 840°С оптимальной температурой цементации является 960°С.

При использовании жидкого карбюризатора эффективно применять комбинированный цикл насыщения для получения на поверхности цементованного слоя содержания углерода в пределах 0,8...1%. После цементации структура цементованного слоя приведена на рисунке 11.

Рис.11 Структура цементованного слоя

Расчёт времени нагрева и выдержки при цементации.

Общее время пребывания детали в печи:

- время нагрева; - время выдержки; - время охлаждения.

Время нагрева рассчитывается по способу Смольникова [ ]:

- суммарный физический фактор нагрева, зависящий от температуры нагрева, нагревательной среды и материала детали, мин/см; - коэффициент равномерности нагрева; - геометрический показатель тела равный отношению объёма тела V к площади его поверхности F:

Для данной детали, имеющей форму полого цилиндра, геометрический показатель тела W равен:

D-наружный диаметр детали, см; d-внутренний диаметр детали, см; l-длина детали, см.

Размеры данной детали следующие: D=3,6 см, d= 1,2 см, l=6,9 см.

Нагрев детали происходит в газовой атмосфере, поэтому коэффициент К принимаем равным =45 мин/см [ ], а при выбранном расположении детали =1,4 , тогда:

Следовательно, время нагрева детали составляет:

Рис.12 График режима

цементации

Время выдержки при цементации зависит от температуры нагрева, вида карбюризатора, особенностей стали и требуемой глубины слоя. В данном случае цементацию проводят в газе, получаемом при разложении синтина, при температуре 960°С. Для получения слоя глубиной 1,0...1,6 мм время выдержки должно составлять 5 часов [ ]:

ч

Охлаждение после цементации проводим на воздухе.

Высокий отпуск.

Отпуск - это операция термической обработки стали, заключающаяся в нагреве стали до температуры ниже Ас1, выдержке при заданной температуре и последующем охлаждением с определённой скоростью.

В изделиях из высоколегированных хромоникелевых сталей после цементации в структуре цементованного слоя сохраняется много остаточного аустенита. Для его устранения проводят высокий отпуск 650°С в течение 2-10ч [ ]. При таком отпуске происходит выделение дисперсных карбидов из остаточного аустенита, твёрдый раствор обедняется углеродом и легирующими элементами, повышаются температуры начала и конца мартенситного превращения, что в итоге приводит к уменьшению количества остаточного аустенита при последующей закалке. Такой высокий отпуск необходимо применять и для данной стали[ ].

Расчёт времени нагрева и выдержки


29-04-2015, 04:18