Технология термического упрочнения зубчатых колес

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Міністерство освіти і науки України

Приазовській державній технічний університет

Кафедра матеріалознавства

Курсова робота

з курсу термічна обробка металів

на тему: “Обрати та теоретично обґрунтувати технологію термічного зміцнення зубчастих коліс задля одержання твердості 64?66 НRC на робочих поверхнях та глибині поверхневого шару 0,3?0,5 мм”

Виконав:студентка гр.ПМ-08 Молчанова А.В

Перевірив: доцент, к.т.н. Ткаченко І.Ф.

Маріуполь 2011

Содержание

1. Анализ условий эксплуатации деталей

1.1 Требования предъявляемые к зубчатым колесам

2. Выбор способа термического упрочнения

2.1 Химико-термическая обработка

2.2 Улучшение

3. Выбор материала для изготовления деталей

4. Выбор оптимальных значений параметров технологии термического упрочнения детали

5. Контроль качества термически упрочненных деталей

Перечень ссылок

1. АНАЛИЗ УСЛОВИИЙ ЭКСПЛУАТАЦИИ ДЕТАЛИ

зубчатый колесо термический закалка

Зубчатые колеса (шестерни) широко используются в современной технике. Только в тракторном и сельскохозяйственном машиностроении общее количество ежегодно изготавливаемых шестерен составляет около 25млн. штук. Основной объем производства составляют цилиндрические шестерни, основная масса которых применяется в коробках передач, трансмиссий автомобилей и тракторов, газораспределении двигателей внутреннего сгорания, металлообрабатывающих станках. Зубчатые колеса могут быть одновременно использованы для изменения момента вращения и числа оборотов. Вследствие разностороннего применения размеры (диаметры) зубчатых колес колеблются от нескольких миллиметров до многих метров. Наибольшие по размерам зубчатые колеса, которые изготавливаются с помощью фрезерования, достигают 12 м по диаметру окружности выступов. Условия работы шестерен зависят от уровня контактных и изгибающих нагрузок и их быстроходности.

При эксплуатации зубчатые колеса испытывают:

· Изгиб при резком торможении или заклинивании с наличием максимального крутящего момента;

· Изгиб в ножке зуба, что может привести к его усталостному разрушению. Напряжения могут превышать 600 МПа;

· Контактные напряжения на боковых поверхностях зубьев, что приводит к образованию контактно- усталостного выкрашивания. Эти напряжения достигают величины до 2 300 МПа;

· Износ боковых поверхностей (из-за попадания абразивных пыли и грязи в зону контакта) либо торцевых поверхностей зубьев. При недостаточной смазке рабочих поверхностей может происходить «схватывание», образование задиров, приводящих к быстрому износу поверхности зубьев. [2]

1.1 Требования предъявляемые к зубчатым колесам

Для длительной работы зубчатое колесо должно обладать:

· выносливостью при контактных нагрузках;

· ударной вязкостью;

· износостойкостью;

· высокой прочностью при изгибе и кручении

· сопротивлению усталостному разрушению.

Важны технологические характеристики конструкционных сталей:

· прокаливаемость;

· склонность к росту зерна аустенита , обезуглероживанию при нагреве под закалку.

· обрабатываемость резанием;

Исходя из условий работы, делаем вывод, что материал колеса должен быть неоднородным по механическим свойствам в зависимости от глубины. Поверхность (0,3?0,5 мм глубины) зубьев колеса должна обладать высокой твердостью и прочностью с целью повышения усталостного износа, подповерхностные же объемы напротив должны обладать достаточным уровнем пластических свойств, чтобы избежать излома зуба в процессе эксплуатации под воздействием изгибающих нагрузок.

Рис.1- Изображения прямозубого зубчатого колеса

2. ВЫБОР СПОСОБА ТЕРМИЧЕСКОГО УПРОЧНЕНИЯ

Исходя из задания данной работы, основными критериями в выборе оптимального метода поверхностного упрочнения должны быть удовлетворения следующим основным требованиям:

а) получение поверхностной твердости на уровне 64?66 HRC;

б) глубина упрочненного слоя должна составлять 0,3?0,5 мм.

Основными методами поверхностного упрочнения прямозубых зубчатых колес в промышленности являются химико-термическая обработка (ХТО) и термическая обработка «улучшение», представляющая собой полную закалку и высокий отпуск.

2.1 Химико-термическая обработка

Суть этого метода заключается в насыщении диффузионным способом поверхностных слоев детали определенным химическим элементом. Для прямозубых зубчатых колес с целью получения малого упрочненного слоя 0,3?0,5 мм мы используем ХТО под названием - азотирование. Проведение азотирования по сравнению с цементацией и нитроцементацией повышает работоспособность шестерен при повышенных температурах ?500 °С. При этом детали имеют большую износо- и коррозионную стойкость при минимальной деформации в процессе термической обработки. Это связано с тем, что перед азотированием шестерни проходят улучшение (закалка + высокий отпуск). Кроме того, операция азотирования проводится при более низких температурах, чем цементация и нитроцементация [2]. Азотированием называется диффузионное насыщение поверхности деталей азотом.

В основном применяют газовое азотирование, используя смесь NH₃ (25 - 60 %) + H₂.

На диаграмме Fe - N (Рис. 1) присутствуют следующие фазы: б - азотистый феррит с

Рисунок 1- Диаграмма состояния Fe - N.

С максимальным содержанием азота при температуре эвтектоидного превращения 591?C 0,1% и с минимальным содержанием ? 0,01 % при 20 ?C; г - азотистый аустенит, претерпевающий эвтектоидное превращение по реакции г - б + г^|; г^| - химическое соединение Fe₄N (5,9 % N) с областью гомогенности (5,7 - 6,1 % N); е - химическое соединение Fe_2-3 N с содержанием азота 8 - 11,2 %.

Назначение азотирования - повышение поверхностной твёрдости, износостойкости, контактной прочности, жаростойкости (до 450 - 500 ?C), коррозионной стойкости .

В практике азотирования применяют два вида процесса:

1) износостойкое азотирование - для «нитраллоев»

2) - антикоррозийное азотирование - для любых сталей.

Исходя из требований, предъявляемым к зубчатым колесам (64?66 HRC ; 0,3?0,5 мм) , мы выбираем первый вид азотирования .

Износостойкое азотирование применяется для деталей из сталей типа 38ХМЮА, 38Х2МЮА, 38ХМФА и др, то есть для «нитраллоев». Это объясняется тем, что высокая твёрдость и высокая износостойкость достигается лишь при азотировании «улучшаемых» сталей, легированных хромом, молибденом, алюминием, ванадием: так как высокой твёрдостью характеризуются лишь нитриды хрома, молибдена, алюминия и ванадия. На железе получается азотированный слой с твёрдостью 300 - 350 HV. Другой особенностью износостойкого азотирования является то, что высокая твёрдость поверхностного слоя, равная 1000 - 1100 HV , и сопутствующие ей свойства обеспечиваются при низкой температуре азотирования (500 - 520 ?C), так как при более высокой температуре укрупняются нитриды и карбонитриды и снижается твёрдость.

К достоинствам азотирования относится то, что после азотирования термическая обработка не нужна, так как получается слой со всеми выше перечисленными свойствами, присущими износостойкому азотированию. На азотирование поступают детали, прошедшие механическую обработку, включая шлифование, с оставленным припуском на окончательное шлифование и доводку изделия после азотирования. Участки поверхности, не подлежащие азотированию, защищаются электролитическим лужением (или меднением) на толщину слоя 0,01 - 0,015 мм или жидким стеклом [3].

При температуре азотирования (ниже 591 ?C) образуются следующие фазы (структуры) - е, г' , б; после охлаждения (в потоке NH₃ до 200 ?C в печи, далее на воздухе) -

е + г'; г'; б + г' ; б,

где е - (M,Fe)_2-3 NC, г' - (M,Fe)₄ NC, б - твёрдый раствор Cr, Mo, Al, V и др. элементов, кроме S в б - Fe, M - Cr, Mo, Al, V и др. легирующие элементы, нитриды Cr, Mo, Al, V.

В результате повышается предел усталости, понижаются деформация и коробление деталей.

Высокая твердость и износостойкость азотируемых конструкционных сталей обеспечиваются главным образом нитридами легирующих элементов (TiN, MoN, AlN). Однако из-за наличия углерода в легированных конструкционных сталях при азотировании фактически образуются карбонитридные фазы.

Легирующие элементы существенно влияют на глубину азотированного слоя h и поверхностную твердость. Уменьшение глубины азотированного слоя при легировании обусловлено уменьшением коэффициента диффузии азота в феррите. Углерод уменьшает также коэффициент диффузии азота

2.2 Улучшение

Такие стали содержат 0,25--0,5%С и их подвергают закалке от 820--880°С (в зависимости от состава) в масло (крупные детали охлаждают в воде) и высокому отпуску при 500--650°С. После такой обработки структура стали представляет собой сорбит отпуска. Улучшаемые стали должны иметь высокий предел текучести, малую чувствительность к концентраторам напряжений, а в изделиях, работающих при многократно прилагаемых нагрузках -- высокий предел выносливости и достаточный запас вязкости: _0,2= 900 МПа, _В=1100 МПа, =10%, =60%, KCU=0,8 МДж/м². Кроме того, улучшаемые стали должны обладать хорошей прокаливаемостью, технологичностью, экономичностью и малой чувствительностью к отпускной хрупкости.[3]

Свойства улучшаемой стали зависят от прокаливаемости, т.е. от структуры по сечению изделия после закалки. При полной (сквозной) прокаливаемости структура по всему сечению - мартенсит. При неполной (несквозной) прокаливаемости наряду с мартенситом образуются немартенситные продукты распада аустенита (верхний и нижний бейнит, феррито-перлитная смесь).

Наиболее высокие механические свойства (практически по всем показателям) достигаются после высокого отпуска исходной структуры мартенсита.

В зависимости от требований по прокаливаемости и необходимого уровня механических свойств в машиностроении используют большое количество различно легированных сталей. Марки легированных конструкционных сталей определяются ГОСТ 4543-71, ряд сталей изготовляется также по техническим условиям. Основными легирующими элементами в улучшаемых сталях являются хром, марганец, никель, молибден, бор, ванадий и др.

3. ВЫБОР МАТЕРИАЛА ДЛЯ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ДЕТАЛЕЙ

Азотируемые детали, от которых требуется высокая твердость и износостойкость, изготовляют из сталей 38Х2МЮА, 38ХВФЮА, 40ХН2МА. Для получения требуемых прочностных характеристик выбираем сталь 38Х2МЮА.Обосновать этот выбор можно следующим образом. В марке стали 38ХВФЮА присутствует ванадий. Этот элемент повышает активность диссоциации элементов, но снижает твердость. Так как нам необходимо получить максимальную твердость, эта марка стали не соответствует требованиям. В марки стали 38ХВФЮА приблизительно 1%Cr , это не может обеспечить достаточную прокаливаемость. являются наиболее качественными, их применяют для изготовления самых ответственных крупных изделий (сечением порядка 100...1000 мм). Хорошие свойства стали 38Х2МЮА достигаются вследствие их чрезвычайно высокой прокаливаемости и наибольшей вязкости.

Ее критические точки, химический состав и механические свойства представлены ниже.

Химический состав в % материала 38Х2МЮА ГОСТ 4543 - 71

Температура критических точек материала 38Х2МЮА.

Технологические свойства материала 38Х2МЮА .

Механические свойства при Т=20^oС материала 38Х2МЮА .

Как видно из таблицы 1 на возможно получение требуемых свойств - твердости 64?66 HRC и даже выше. Высокая твердость достигается перераспределением в слоях алюминия в поверхностных слоях в процессе азотирования.

Что касается подповерхностных слоев, то уровень их механических свойств является достаточным при сечениях от 25 до 130 мм. Это дает возможность использовать данную сталь для достаточно широкого круга изделий, как по массе, так и по размерам. В связи с этим конкретных размеров на эскизе исследуемого прямозубого зубчатого колеса не приводится. Во всяком случае, характеристический размер колеса должен находиться в пределах 25?130 мм.

4. ВЫБОР ОПТИМАЛЬНЫХ ЗНАЧЕНИЙ ПАРАМЕТРОВ ТЕХНОЛОГИИ ТЕРМИЧЕСКОГО УПРОЧНЕНИЯ ДЕТАЛИ

Для проведения качественной ХТО необходимо выполнить ряд условий, так как только в этом случае,[2] возможно получить высокие значения статической и динамической прочности, высокую износостойкость и контактную прочность:

1. Соблюдать указанное соотношение модуля зуба и глубины насыщенного слоя. Концентрация углерода в слое должна быть в пределах 0,8- 1,0%, что обеспечит максимальную усталостную прочность при сохранении высокого сопротивления хрупкому разрушению. При содержании углерода 1,1-1,2% контактная выносливость растет, но значительно снижается предел выносливости при изгибе;

2. Твердость поверхности зубьев должна соответствовать HRC 58-65, иметь структуру мелко игольчатого мартенсита с изолированными участками аустенита остаточного (не более 15-20%). Карбидная сетка и продукты диффузионного распада аустенита в азотированном слое не допускаются;

3. Структура сердцевины зубьев должна состоять из низкоуглеродистого мартенсита или нижнего бейнита с твердостью HRC 30-45, присутствие структурно свободного феррита не допустимо. Повышение твердости сердцевины выше HRC 45 сопровождается снижением усталостной прочности зубьев.

Вместе с тем при быстром нагреве фазовые превращения в стали протекают в условиях весьма короткого времени, недостаточного для завершения диффузионных процессов. Это вызывает ряд особенностей, которые следует учитывать при разработке технологии термической обработки:

1. Чем выше скорость нагрева, тем при более высокой температуре завершается процесс образования аустенита. Она должна быть существенно выше равновесной.

2. При быстром нагреве аустенит получается неоднородным по углероду и легирующим элементам. Обеспечить его гомогенизацию (например, при нагреве под закалку легированных сталей) можно путем изотермической выдержки, дозируя передаваемую в сталь энергию за счет автоматического регулирования электрических режимов нагрева. Такое регулирование не представляет принципиальных трудностей.

3. При быстром нагреве зерно аустенита не успевает вырасти до значений, характерных для термической обработки с нагревом в печи, его размер обычно соответствует 11?12 баллам стандартной шкалы (ГОСТ 5639-82), в то время как при печном нагреве -- 7?8 баллам.

4. Исходная структура стали должна быть дисперсной. Наличие крупных зерен феррита вынуждает сильно (на 100?150°С) повышать температуру нагрева, что приводит к интенсивному росту зерна и ухудшает свойства (особенно вязкость) стали в закаленном состоянии.

5. Ввиду неоднородности и мелкозернистости переохлажденный аустенит обладает пониженной устойчивостью к распаду, поэтому при закалке необходимо применять интенсивное охлаждение - водяной душ или быстродвижущийся поток воды.

6. Применение электронагрева позволяет коренным образом повысить культуру производства, механизировать и автоматизировать процесс термической обработки, встраивать термические установки непосредственно в линии механической обработки деталей. Наряду с этим электронагрев, при правильном его использовании, способен обеспечить существенно более высокие эксплуатационные свойства термически упрочненных деталей машин, их надежность и долговечность [3].

Учитывая вышеперечисленные особенности, оптимальная технология термического упрочнения представляется в следующем виде:

1. Поковки шестерен проходят предварительную термическую обработку, заключающуюся в ускоренном охлаждении после ковки в воде до 400°С и последующей нормализации. Подобная обработка даст возможность получить максимально дисперсную перлитоподобную структуру - троосто-сорбитную смесь. Это необходимо для успешного проведения дальнейшей закалки. В случае, если структура будет получена более грубая, в процессе нагрева под дальнейшую закалку цементит может не успеть раствориться в феррите, аустенитизация пройдет не полностью, и после закалки в структуре может остаться цементит, что недопустимо, так как приведет к резкому повышению внутренних напряжений и к растрескиванию. Температура конца ковки не должна превышать 950°С (более высокая температура приведет к росту зерна стали). Охлаждение поковок следует осуществлять раздельно во избежание экранирования деталей и их неравномерного охлаждения.

2. Улучшение. Улучшение представляет собой закалку и высокий отпуск.

Закалка Зубчатый венец и некоторый подслой прогреваются насквозь до закалочных температур. Время нагрева должно составлять 20?100 с в зависимости от размера детали.

Отпуск проводим высокотемпературный. Такая термообработка, которая приводит к структуре полигонизованного либо рекристаллизованного феррита с глобулярным либо пластинчатым цементитом. Окончательная структура- сорбит отпуска.

3. В качестве насыщающей среды при азотировании используются продукты распада аммиака.

Перед азотированием детали проходят очистку поверхности (обезжиривание). Температура азотирования находится в интервале 520°С для зубчатых колес. Необходимо помнить, что чем ниже температура насыщения, тем выше твердость и износостойкость поверхностного слоя.

Для снижения хрупкости азотированного слоя рекомендовано азотирование в аммиаке разбавленном азотом или предварительно диссоциированным аммиаком.

4. После азотирования зубчатое колесо медленно охлождают и полируют.

В результате такой закалки за счет ограниченной прокаливаемости стали при правильно выбранных режимах нагрева и охлаждения по контуру зубьев и во впадинах создается закаленный на мартенсит слой высокой твердости (64?66 HRC), сердцевина зубьев и подслой под впадинами упрочняются на структуру тонкой феррито-цементитной смеси (сорбит или троостит закалки) с твердостью HRC 30?40.

График термической обработки представлен ниже:

Рисунок. 4.1. График режима термической обработки зубчатых колес из стали

5. КОНТРОЛЬ КАЧЕСТВА ТЕРМИЧЕСКИ УПРОЧНЕННЫХ ДЕТАЛЕЙ

В соответствии с ГОСТ 7342-79 контроль качества азотируемых деталей осуществляется:

В процессе производства контролируют:

1) Твердость поверхности (измеряются твердомерами либо, в крайнем случае, оценивают тарированным напильником с незатупленной насечкой).

2) Отсутствие трооститных пятен на закаленных поверхностях путем травления “тройным” реактивом.

3) Отсутствие трещин (внешним осмотром; магнитной, люминисцентной и др. видами дефектоскопии).

4) Деформацию деталей при термической обработке.

Контроль по пп. 1-4 целесообразно проводить выборочно через каждые 1-2 часа работы.

Кроме того, периодически (обычно в начале очередной смены) одну деталь направляют в лабораторию для металлографического анализа структуры и глубины закаленного слоя, измерения твердости поверхности и сердцевины на вырезанных тамплетах.

По характеру поверхностной закалки при индукционном нагреве, когда каждая деталь нагревается и охлаждается, как правило, индивидуально, весьма перспективно применение приборов неразрушающего контроля, позволяющих осуществлять автоматический сплошной контроль деталей на выходе из закалочной установки. Отдельные образцы таких приборов созданы и их используют в промышленности.

Перечень ссылок

1. Технология термической обработки стали. Ред. М.Л. Бернштейн. Пер. с нем. - М.: Металлургия, 1981. - 608 с.

2. Термическая обработка в машиностроении. Справочник. Ред. Ю.М. Лахтин, А.Т. Рахштадт. 1985.- 162-166 с.

3. Технология термической обработки стали. Учебник для вузов. Башнин Ю.А., Ушаков Б.К., Секей А.Г. - М.: Металлургия, 1986. - 215 с.

4. Контроль качества термической обработки стальных полуфабрикатов и изделий. Справочник под ред. Кальнера В.Д. - М.:Машиностроение,

1984. - 384 с.

5. Технология термической обработки деталей работающих в условиях износа. Методическое пособие. А.А Перебоева -Красноярск, 2007.- 143с.

Размещено на Allbest.ru