Термическая обработка зубчатого колёса

Размещено на http://www.allbest.ru/

Содержание

Введение

1. Анализ условий работы материала в изделии и комплекс технических требований к нему

2. Поиск и обоснование выбора материала на основе заданных параметров прочности и пластичности

3. Выбор методов и оборудования для определения структуры и свойств, контроля качества термообработки

4. Установление режимов при термообработке, обеспечивающих достижение заданных свойств

5. Анализ возможных дефектов при термообработке и способы их предотвращения или устранения

6. Оценка показателей выбранного материала

Заключение

Список литературы

Введение

Общая современная тенденция в машиностроении - стремление к снижению материалоемкости конструкций, увеличению мощности, быстроходности и долговечности машины. Эти требования приводят к необходимости уменьшения массы, габаритов и повышения нагрузочной способности силовых зубчатых передач. Материалы для изготовления зубчатых колес в машиностроении - стали, чугуны и пластмассы; в приборостроении зубчатые колеса изготовляют также из латуни, алюминиевых сплавов и др. Выбор материала определяется назначением передачи, условиями ее работы, габаритами колес и даже типом производства (единичное, серийное или массовое) и технологическими соображениями. Основные материалы для изготовления зубчатых колес - термообработанные углеродистые и легированные стали, обеспечивающие высокую объемную прочность зубьев, а также высокую твердость и износостойкость их активных поверхностей. Правильный выбор материала способствует улучшению качества зубчатых колес, увеличивает срок их эксплуатации, повышает надежность.

1. Анализ условий работы материала в изделии и комплекс технических требований к нему

зубчатый колесо термообработка дефект

Для того, чтобы правильно найти и выбрать материал необходимо оценить эксплуатационные, технические, технологические и экономические требования. Главным критерием выбора являются эксплуатационные характеристики.

В зависимости от условий выполняемой работы и назначения к зубчатым передачам предъявляются следующие требования:

а) высокая износостойкость рабочих поверхностей зубьев, достигаемая за счет применения высококачественных легированных сталей, термической и химико-термической обработки, механического упрочнения, отделки поверхности;

б) бесшумность и плавность работы, точность передачи движений, достигаемые точностью изготовления профиля зубьев, их отделкой и устранением эксцентричности зубчатых венцов;

в) достаточный коэффициент полезного действия;

г) высокая усталостная прочность зубьев, достигаемая их тщательной обработкой, термическим, механическим, термомеханическим упрочнением, отделкой.

Перечисленные требования объясняются высокими окружными скоростями, контактными давлениями, изгибающими циклическими нагрузками.

В процессе работы зубья подвергаются действию изгибных нагрузок, вызывающих излом ножки зуба; поверхность зубьев подвергается действию относительно больших контактных давлений и истиранию, приводящих к выкрашиванию и износу. Для улучшения эксплуатационных свойств рабочие поверхности зубьев в большинстве случаев должны иметь высокую поверхностную твердость (HRC 58-62) при относительно вязкой и пластичной сердцевине, обеспечивающей повышенную прочность при циклических и ударных нагрузках. В ряде случаев зубчатые колеса работают в менее жестких и тяжелых условиях, вследствие чего требования к их изготовлению также ниже.

Характер технологического процесса обработки зубчатых колес зависит от требуемой точности, качества поверхности и термической обработки зубчатого колеса. Технологический процесс изготовления зубчатого колеса можно разделить на четыре основных этапа: 1) черновая и чистовая обработка заготовки; 2) нарезание зубьев; 3) термическая обработка; 4) отделочные и доводочные операции после термической обработки.

Зубчатые колеса с наружным диаметром 50--55 мм и более изготовляются из поковок и штамповок на станках патронного типа с предварительной обработкой отверстия. Это значит, что материал должен обладать хорошими литейными свойствами и хорошо поддаваться обработке давлением. Стоит подытожить основные требования к материалам - это прочность поверхностного слоя, достаточное сопротивление истиранию, прочность при изгибе, возможность получения достаточной прочности и чистоты поверхности.

Так как рассматривается зубчатое колесо в условии износа с малой контактной нагрузкой, используются колеса с твердостью по Бринеллю ? 350 НВ, зубья которых хорошо прирабатываются.

Основная цель любого вида термической обработки зубчатых колес состоит в обеспечении твердой, износостойкой поверхности зуба при сохранении мягкой и вязкой сердцевины для восприятия ударных нагрузок.

При выборе стали для изготовления зубчатых колес необходимо учитывать ее стоимость, обрабатываемость, прокаливаемость и деформацию колеса при термической обработке. Так как основным элементом зубчатого колеса является зуб, применяемые стали и методы упрочнения должны обеспечивать высокую контактную и усталостную прочность, прочность при изгибе, ударе и износостойкость зуба[1].

2. Поиск и обоснование выбора материала на основе заданных параметров прочности и пластичности

На основе анализа условий работы и комплекса требований к ним можно рассмотреть в качестве материала следующие марки сплавов: 50, 45Х, 20ХН3А, 30ХГТ.

Химический состав указанных сталей:

Таблица 1 - Химический состав для стали 50, % (ГОСТ 1050 - 74)

Таблица 2 - Химический состав для стали 45Х, % (ГОСТ 4543 - 71)

Таблица 3 - Химический состав для стали 20ХН3А, % (ГОСТ 4543 - 71)

Таблица 4 - Химический состав стали 30ХГТ, % (ГОСТ 4543 - 71)

Механические свойства в состоянии поставки образцов представленных марок стали с сечением до 100 миллиметров приведены в таблице 5.

Таблица 5.

Сталь 50 - среднеуглеродистая качественная сталь. Поставляется в виде сортового проката, в том числе и фасонного, калиброванного прутка. Также в виде поковки и кованной заготовки. В промышленности используется для изготовления зубчатых колес, прокатных валков, осей, малонагруженных пружин и рессор. Данная сталь является трудносвариваемой, не склонна к отпускной хрупкости, малая склонность к поражению флокенами. Прокаливаемость стали 50 сравнительно не большая.

Сталь 45Х - сталь конструкционная легированная. Используется для изготовления валов, шестерней, шатунов и других деталей к которым предъявляются требования повышенной твердости, износостойкости, прочности и работающих при незначительных ударных нагрузках. Данная марка стали является трудносвариваемой, склонной к поражению флокенами и появлению отпускной хрупкости.

Сталь 20ХН3А - сталь конструкционная легированная. Вид поставки: сортовой прокат, в том числе и фасонный (калиброванный пруток, шлифованный пруток, поковки и кованые заготовки). Используется в промышленности для изготовления таких деталей, как шестерни, валы, втулки, муфты и других цементуемых деталей, к которым предъявляются требования высокой прочности, пластичности и вязкости сердцевины и высокой поверхностной твердости, работающей под действием ударных нагрузок и при отрицательных температурах. Сталь ограниченно свариваемая, флокеночувствительна и склонна к отпускной хрупкости.

Сталь 30ХГТ - сталь конструкционная легированная. Вид поставки: сортовой прокат, в том числе и фасонный (калиброванный пруток, шлифованный пруток). Используется в промышленности для изготовления улучшаемых и цементуемых деталей, от которых требуется высокая прочность, вязкая сердцевина и высокая поверхностная твердость, работающих при больших скоростях и повышенных удельных давлениях под действием ударных нагрузок. В частности, для зубчатых колес коробки передач грузовых автомобилей, раздаточных коробок главной передачи автомобилей и автобусов. Сталь склонная к отпускной хрупкости, свариваемость ограничена, флокенонечувствительна[2].

3. Выбор методов и оборудования для определения структуры и свойств материала, контроля качества термической обработки

С целью определения структуры и свойств сплавов необходимо провести: металлографические и рентгенографические исследования, а также испытания на растяжение, ударную вязкость и прокаливаемость.

Металлографические исследования - это комплекс испытаний и аналитических мероприятий, направленных на изучение макроструктуры и микроструктуры металлов, исследование закономерностей образования структуры и зависимостей влияния структуры на механические, электрические и другие свойства металла (сплава).

Изучение микроструктуры шлифа в нетравленом виде, т. е. после полирования и промывки. В этом случае в поле зрения микроскопа можно заметить отдельные, обычно небольшие, темные участки, которые могут представлять неметаллические включения, мелкие поры, структурные составляющие. Макро- и микроанализ, применяемый в техническом диагностировании, позволяет своевременно выявить дефекты металла, которые могут понизить эксплуатационные свойства и надёжность изделий в работе.

Рентгенография материалов - область исследований, занимающаяся решением разнообразных задач материаловедения на основе рентгенографической дифракции. Рентгенография материалов исследует как равновесные, так и неравновесные состояния материалов, изучает их кристаллическую структуру, фазовый состав и его изменения, строит фазовые диаграммы, анализирует состояние деформированных (или после каких-либо других воздействий) материалов, процессы упорядочения и явления ближнего порядка. Рентгенография материалов осуществляется с помощью получаемых в рентгеновских камерах рентгенограмм моно- или поликристаллических образцов или регистрацией распределения рассеянного рентгеновского излучения в рентгеновских дифрактометрах.

Рентгеновский дифрактометр - прибор для измерения интенсивности и направления рентгеновских, пучков, дифрагированных на исследуемом образце. Рентгеновский дифрактометр применяется для решения различных задач рентгеновского структурного анализа, рентгенографии материалов, исследования реальной структуры монокристаллов. Он позволяет измерять интенсивность дифрагированного в заданном направлении излучения с точностью до десятых долей процента и угол дифракции с точностью от нескольких минут до долей секунды.

Испытания на растяжение являются основным и наиболее распространенным методом лабораторного исследования и контроля механических свойств материалов. Эти испытания проводятся и на производстве для установления марки поставленной заводом стали или для разрешения конфликтов при расследовании аварий. В таких случаях, кроме металлографических исследований, определяются главные механические характеристики на образцах, взятых из зоны разрушения конструкции. Так, из полученной диаграммы можно вычислить такие показатели, как предел пропорциональности, предел упругости, предел текучести, предел прочности.

Ударная вязкость характеризует надежность материала, его способность сопротивляться хрупкому разрушению. Испытание проводят на образцах с надрезами определенной формы и размеров. Испытание проводится на маятниковом копре МК-З0А. Образец устанавливают на опорах копра надрезом в сторону, противоположную удару ножа маятника, который поднимают на определенную высоту.

Испытание на прокаливаемость материалов, в частности углеродистых и легированных конструкционных сталей, проводится с помощью метода торцевой закалки. Сущность этого метода заключается в том, что один торец цилиндрического образца, нагретого до температуры закалки, охлаждают водой в специальной установке. После закалки измеряют твердость по длине образца от охлажденного водой торца к незакаленной головке и по полученным данным строят диаграмму твердости.

Из всего перечисленного следует, что для определения структуры и свойств необходимы такие установки, как стандартные печи для термообработки, металлографический микроскоп, рентгеновский аппарат, разрывная машина, маятниковый копер, установка для циклических испытаний, твердомер.

4. Установление режимов термообработки, обеспечивающих достижение заданных свойств

Сталь 50 подвергается такими видами термической обработки, как нормализация при 850 °С, закалке при 820 °С, и высокотемпературному отпуску при 600 °С. Время выдержки при выполнении нормализации и закалки составляет 0,5 часа, отпуск - 1 час. Охлаждающей средой при закалке является вода. Механические свойства закаленной стали диаметром 60 мм и температурой отпуска 600 °С составляют: у0,2 = 430 - 460 МПа, ув = 640 - 720 МПа, д = 19 - 17 %, ш = 62 - 59 %. КСU = 110 - 70 Дж\см2, НВ = 180 - 200. Глубина прокаливаемости не велика и составляет 15 - 26 мм (рисунок 1а). Однако для зубчатого колеса диаметром 50 мм такая величина вполне удовлетворительна. И механические свойства после термообработки отвечают заданным условиям. Таким образом, сталь 50 является хорошим вариантом для выполнения детали.

Сталь 45Х. Такая сталь обрабатывается термически путем закалки при температуре 840 - 860 °С в масло и отпуску при 580 - 620 °С на спокойном воздухе. Механические свойства термически обработанной поверхностью у детали с сечением 60 мм составляют: у0,2 = 850 МПа, ув = 1050 МПа, д = 8 %, ш = 40 %, НВ = 302 - 341. Прокаливаемость в масле составляет 20 - 50 мм (рисунок 1б). Свойства этой марки стали с большим запасом выполняет заданные требования к материалу.

Сталь 20ХН3А. Хромоникелевая сталь такой марки обрабатывается термически путем закалки при температуре 820 °С в масло, и с последующим высокотемпературным отпуском при температуре 500 °С. Получаем следующие механические свойства для прутка с сечением 15мм: у0,2 = 750 МПа, ув = 950 МПа, д = 15 %, ш = 55 %, КСU = 110 Дж\см2, НВ (после отжига не более) 255. Прокаливаемость в масле составляет 20 - 50 мм (рисунок 1в). С целью повышения твердости и износостойкости проводится цементация. Для образца с сечением 60 мм после цементации при 950 - 920 °С, закалки при 800 - 820 °С в масло, отпуска 160 - 200 °С на спокойном воздухе, механические свойства следующие: у0,2 = 850 МПа, ув = 1000 МПа, д = 12 %, ш = 55 %, KCU = 120 Дж\см2, HRC (поверхности) = 63, НВ (сердцевины) =302. Свойства данной хромоникелевой стали с запасом выполняют требования к материалу.

Сталь 30ХГТ. Данная сталь подвергается двойной закалке, а именно первая закалка проводится при температуре 880 - 950 °С, далее при 850 °С, плюс низкий отпуск при 200 °С. Во всех случаях остывание происходит на спокойном воздухе. После термообработки получаем следующие свойства: у0,2 = 1300 МПа, ув = 1500 МПа, д = 9 %, ш = 40 %, КСU = 50 Дж\см2, НВ (после отжига не более) 229. Для того, чтобы повысить износостойкость и твердость поверхности проводят химико-термическую обработку. После цементации при 920 - 950 °С, закалки при 840 - 850 °С в масло и последующего низкого отпуска при 180 - 200 °С на воздухе получаем следующие механические свойства: у0,2 = 800 МПа, ув = 1100 МПа, д = 12 %, КСU = 60 Дж\см2, НВ ?300, HRC = 62. Сталь этой марки выполняет заданные требования, более того превышает их более чем в 2 раза[3].

а) б)

в) г)

Рисунок 1 - Прокаливаемость сталей для: а) 50; б) 45Х; в) 20ХН3А; г) 30ХГТ

5. Анализ возможных дефектов при термообработке и способы их предотвращения или устранения

В легированной конструкционной стали могут наблюдаться все те металлургические дефекты, которые свойственны и нелегированной стали, но встречаются также и присущие только ей пороки. Вообще же легированная конструкционная сталь более склонна к порокам любого вида, чем нелегированная. Так, в результате легирования возрастает склонность к образованию крупной первичной структуры, возрастают трудности удаления из металла газов и неметаллических включений вследствие увеличения вязкости жидкого сплава, увеличивается склонность к образованию трещин в связи с понижением теплопроводности и т.п. Поэтому получить доброкачественную легированную конструкционную сталь обычно труднее, чем нелегированную. Среди пороков, встречающихся главным образом в легированной конструкционной стали, остановимся на двух -- шиферном изломе и флокенах.

Шиферным называется вид излома кованой или катаной стали, характеризующийся резко выраженным слоистым строением. По внешнему виду этот излом напоминает излом сухого слоистого дерева и является одним из наиболее часто наблюдаемых пороков конструкционной стали. Шиферный излом по мере его развития сопровождается резким ухудшением сжатия и ударной вязкости стали (на поперечных образцах). Сталь, имеющую ясно выраженный шиферный излом, обычно считают некондиционной. Полагают, что причиной шиферного излома является пористость, возникающая в стали в результате выделения во время затвердевания растворенных в жидкой стали газов. При последующей ковке или прокатке возникшие поры удлиняются и при разрушении стали они обнаруживаются в виде мелких расслоений, создающих мелкослоистый вид излома. Другой причиной появления шиферности стали обычно считают повышенное загрязнение стали неметаллическими включениями. Присутствие в стали вытянутых при горячей обработке давлением шлаковых включений усиливает слоистость и, следовательно, склонность стали к шиферному излому[4].

Рисунок 2 - Шиферный излом

Флокенами называются мельчайшие внутренние надрывы в металле -- трещины, легко выявляющиеся при травлении макрошлифов, но особенно характерно обнаруживаемые на изломах в виде блестящих (белых) круглой или овальной формы пятен представляющих поверхность («стенку») трещин. Флокены являются недопустимым пороком качественной стали. Флокены сравнительно редко встречаются в литой стали. Гораздо чаще присутствие их обнаруживается в стали после ее горячей обработки и особенно в тех случаях, когда охлаждение кованых или катаных заготовок после их горячей обработки производится относительно быстро (например, на воздухе). Чаще всего флокены наблюдаются в стали, выплавленной в основных мартеновских или электрических печах. Кислая мартеновская сталь, как правило, менее часто поражается флокенами. Флокены наблюдаются преимущественно в Сг, Сг-Ni, Сг-Ni-Мо, Si-Мn, Si-Сг, Si-Мn-Сг марках конструкционной стали. Обычные углеродистые стали почти не страдают этим пороком, равно как и высоколегированные аустенитного, ферритного и карбидного классов. Изучению природы образования флокенов в стали посвящено большое количество исследовательских работ, приведших к созданию различных теорий их происхождения. В настоящее время наибольшим признанием пользуется теория, согласно которой флокены вызываются растворенным в жидкой стали водородом. Эти пятна иногда имеют хлопьевидную форму, откуда дефект и получил название «флокены» -- хлопья. С понижением температуры растворимость водорода в стали резко уменьшается, и последний, выделяясь из металла, переходит в молекулярное состояние (в форму газа). Скапливаясь в порах стали, в частности, в стыках зерен, молекулярный водород развивает большие давления, что, в конечном счете, и приводит к образованию внутренних надрывов -- трещин. Например, при содержании водорода в стали 0,002% внутреннее давление водорода при температуре 500° уже достигает 1000 кг/см. Однако особенно неблагоприятной в отношении образования флокенов является температурная зона ниже 250°, когда сталь оказывается мало пластичной, и разряжение возникающего внутреннего давления за счет пластической деформации становится уже невозможным. Поэтому температурный интервал ниже 250° считают наиболее опасным с точки зрения возникновения флокенов.

Принятие мер, устраняющих возможность попадания в печь при выплавке стали водорода (нельзя, в частности, допускать загрузку в печь влажных материалов), исключает появление флокенов. Весьма эффективным средством борьбы с флокенами является проведение чрезвычайно медленного охлаждения стали или применение длительной выдержки в известном интервале температур, после горячей обработки давлением. В ходе такого охлаждения или выдержки выделяющийся из раствора водород успевает продиффундировать к поверхности и удалиться из стали[5].

Рисунок 3 - Флокены в продольном (а) и поперечном (б) разрезе

6. Оценка показателей выбранного материала

Окончательный выбор материала осуществлен с учетом основного технического требования.

Стали 20ХН3А и 30ХГТ имеют высокий запас прочности, который является нецелесообразным. Данные виды легированных сталей пригодны для крупногабаритных изделий. Сплавы 45Х и 50 подходят по техническим требованиям, так же с некоторым запасом, но не с таким существенным, как у 20ХН3А и 30ХГТ. Однако, легированная сталь сильнее подвержена дефектам, чем качественная конструкционная сталь. Кроме того, по данным прайс - листов таких предприятий, как ОАО «Новосибирский металлургический завод» и ОАО «Первоуральский новотрубный завод» цена за тонну проката стали 50 равна 40 000 рублей, а стали 45Х - 105 000 рублей[6].

Таким образом, можно сделать вывод, что наиболее предпочтительное использование стали 50.

Заключение

Выбор сплава осуществлялся исходя из условия задания, подбором трех возможных материалов (50, 45Х, 20ХН3А, 30ХГТ), подходящим по технологическим, техническим, эксплуатационным и экономическим требованиям. С учетом всех этих требований была выбрана для зубчатого колеса сталь 50.

Список литературы

1 http://vtk34.narod.ru/detalimashin_lek/book/book6.htm

2 Марочник сталей и сплавов / В.Г. Сорокин, А.В. Волосникова, С.А. Вяткин и др.: под общ. ред. В.Г. Сорокина. - М: Машиностроение, 1989. - 640 с.

3 Журавлев В.Н. Машиностроительные стали. Справочник. Изд. 3 - е, перераб. и доп. - М.: Машиностроение, 1981. - 391с., ил.

4 Фридман Б. Строение и анализ изломов металла / Б. Фридман, Т.А. Гордеева - М.: Книга по требованию, 2012. 175с.

5 Поволоцкий Д.Я. Водород и флокены в стали / Д.Я. Поволоцкий, А.Н. Морозов - М.: Металлургиздат. Государственное Научно - Техн. Изд. Литературы по Черной Металлургии, 1959. - 182 с.

6 http://metallicheckiy-portal.ru/prices

Размещено на Allbest.ru