|
Деталь
|
d
|
σв
|
σт
|
ψ
|
Твердость
поверхности
|
δ
|
Т50
|
КСU
|
Марки сталей
|
|
мм
|
МПа
|
МПа
|
%
|
НВ
|
%
|
0С
|
Дж/мм2
|
-
|
|
Ось
|
40
|
800
|
650
|
50
|
255-302
|
16
|
-80
|
60
|
40Г2 35Г2 40Х
|
термический сталь прокаливаемость ось
1.
Обосновать
выбор марки стали из предложенных с учетом прокаливаемости по заданным
механическим свойствам, технологичности, экономичности;
2.
Обосновать
метод и среду для нагрева, выбор технологического процесса упрочнения после
сравнения нескольких процессов, при выполнении которых можно получить близкие
результаты;
3.
Обосновать
выбор основного оборудования или агрегата. Габаритные
4.
размеры
детали задать произвольно;
5.
Определить
выбор охлаждающей среды;
6.
Определить
и рассчитать параметры ТО: температуру нагрева, время
7.
нагрева,
скорость нагрева, время выдержки;
8.
Обосновать
применение и вид контролируемой атмосферы;
9.
Описать
дополнительные операции: очистка от окалины и масла,
10.правка, гальванические операции, зачистка для
контроля твердости
11.Назначить методы входного и окончательного
контролей.
2.
Выбор марки стали
При выборе стали, учитывали ее
прокаливаемость, обрабатываемость резанием, механические свойства,
экономичность. Были предложены стали 40Г2, 35Г2, 40Х. Чтобы выбрать одну из
них, следует сравнить их химический состав и свойства.
2.1
Сталь 40Г2
Назначение стали 40Г2 представлено в таблице 2.1 [1]
Таблица 2.1 - Общая характеристика
|
Марка:
|
Сталь 40Г2
|
|
Классификация:
|
Сталь
конструкционная легированная
|
|
Применение:
|
Для
изготовления осей, коленчатых валов, поршневых стоков, рычагов, распределительных
валиков, карданных валов, полуосей и других деталей; отливок деталей для
авиастроения.
|
Химический состав стали 40Г2 представлен в таблице 2.2 [1]
Таблица 2.2 - Химический состав стали 40Г2, %
|
C Si Mn Ni S P
Cr Cu 0.36 - 0.44 0.17 - 0.37 1.4 - 1.8 до
0.3 до 0.035 до 0.035 до 0.3 до 0.3
|
Критические точки стали 40Г2 представлены в таблице 2.3 [1]
Таблица 2.3 - Температура критических точек стали 40Г2
|
Ас1,0С
|
Ас3 (Асm),0С
|
Аr3 (Аrсm),0С
|
Аr1,0С
|
Мн, 0С
|
|
713
|
780
|
710
|
627
|
340
|
Таблица 2.4 - Механические свойства стали 40Г2: [1]
|
Прокат
|
Размер, мм
|
|
σв(МПа)
|
σT
(МПа)
|
δ (%)
|
ψ%
|
|
KCU (кДж / м2)
|
HB
|
|
Пруток
|
40
|
|
770
|
590
|
18
|
57
|
|
68
|
220
|
Таблица 2.5 - Твердость для полос прокаливаемости HRC: [1]
|
Расстояние от
торца, мм / HRC
|
|
2
|
5
|
10
|
15
|
20
|
25
|
30
|
35
|
40
|
45
|
|
|
55-62
|
52-61.5
|
39.5-57.5
|
32-53.5
|
27.5-48.5
|
25.5-43.5
|
24-40.5
|
23.5-37.5
|
22.5-36.5
|
22-35.5
|
|
Рисунок 1. Полоса прокаливаемости стали 40Г2. [1]
.2
Сталь 35Г2
Назначение стали 35Г2 представлено в таблице 2.6 [1]
Таблица 2.6 - Общая характеристика
|
Марка:
|
35Г2
|
|
Классификация:
|
Сталь
конструкционная легированная
|
|
Применение:
|
Валы, полуоси,
цапфы, рычаги сцепления, вилки, фланцы, коленчатые валы, шатуны, болты,
кольца, кожухи, шестерни и другие детали, применяемые в различных отраслях
машиностроения, к которым предъявляются требования повышенной износостойкости
|
Химический состав стали 35Г2 представлен в таблице 2.7
[1]
Таблица 2.7 - Химический состав стали 35Г2, %
|
C
|
Si
|
Mn
|
Ni
|
S
|
P
|
Cr
|
Cu
|
|
0.31 - 0.39
|
0.17 - 0.37
|
1.4 - 1.8
|
до 0.3
|
до 0.035
|
до 0.035
|
до 0.3
|
до 0.3
|
Критические точки стали 35Г2 представлены в таблице 2.8 [1]
Таблица 2.8 - Температура критических точек стали 35Г2
|
Ас1, 0С
|
Ас3(Асm), 0С
|
Аr1, 0С
|
Мн, 0С
|
|
718
|
804
|
727
|
667
|
340
|
Механические свойства стали 35Г2 после закалки с 8200С
и отпуска 6000С с охлаждением в воду представлены в таблице 2.9 [1]
Таблица 2.9 Механические свойства стали 35Г2 [1]
|
Термообработка,
состояние поставки Закалка 820°С, вода. Отпуск 600°С, вода.
|
Сечение, мм
|
σ0,2, МПа
|
σB, МПа
|
δ, %
|
ψ, %
|
KCU, Дж/м2
|
HB
|
|
Место вырезки
образца - центр
|
40
|
590
|
700
|
18
|
57
|
68
|
220
|
Таблица 2.10 Твердость для полос прокаливаемости HRC: [1]
|
Расстояние от
торца, мм / HRC э
|
|
2
|
5
|
10
|
15
|
20
|
25
|
30
|
35
|
40
|
45
|
|
|
|
51.5-59
|
46.5-57
|
34-52.5
|
28-46.5
|
25-42
|
23-39
|
23-39
|
35
|
33
|
32.5
|
|
|
2.3
Сталь 40Х
Назначение стали 40Х представлено в таблице 2.9 [1]
Таблица 2.11 - Общая характеристика
|
Марка:
|
40Х
|
|
Классификация:
|
Сталь
конструкционная легированная
|
|
Применение:
|
оси, валы,
вал-шестерни, плунжеры, штоки, коленчатые и кулачковые валы, кольца,
шпиндели, оправки, рейки, зубчатые венцы, болты, полуоси, втулки и другие
улучшаемые детали повышенной прочности.
|
Химический состав стали 40Х представлен в таблице 2.12
[1]
Таблица 2.12 - Химический состав стали 40Х, % (ГОСТ
4543-71)
|
C
|
Si
|
Mn
|
Ni
|
S
|
P
|
Cr
|
Cu
|
|
0,36-0,44
|
0,17-0,37
|
0,5-0,8
|
до 0,3
|
до 0,035
|
0,8-1,1
|
до 0.3
|
Критические точки стали 40Х представлены в таблице 2.13 [1]
Таблица 2.13 - Температура критических точек стали 40Х
|
Ас1,
0С
|
Ас3(Асm), 0С
|
Аr3(Аrсm), 0С
|
Аr1, 0С
|
Мн, 0С
|
|
743
|
815
|
730
|
693
|
325
|
Механические свойства Стали 40Х после закалки с 860 0С
в масло и отпуска с 5000С в воду приведены в таблице 2.14 [1]
Таблица 2.14 Механические свойства
|
Термообработка
|
Сечение, мм
|
σт, МПа
|
σв, МПа
|
δ, %
|
φ, %
|
КСU, Дж/мм2
|
HB
|
|
Закалка 860°С,
масло. Отпуск 500°С, вода или масло
|
До 80
|
780
|
980
|
21
|
55
|
60
|
265-297
|
Полоса прокаливаемости стали 40Х после нормализации при 8600
С и закалки с 8500 С [1]
Рисунок 2. Полоса прокаливаемости стали 40Х после
нормализации при 8600С и закалки с 8500С [1]
Изучив химический состав и свойства данных сталей приходим к
выводу, что наилучшими механическими свойствами обладает сталь 40Х, и в
заданном сечении 40 мм она принимает нужные механические, поэтому выбираем
сталь 40Х. Сталь 40Х обеспечивает лучшую прокаливаемость даже при закалке в
масло. Она прокаливается по всему сечению. Стали марок 40Г2, 35Г2 сложны в
обработке до заданных механических свойств. Выбранная марка стали достигает
более высоких механических свойств, при намного меньших затратах
энергоресурсов.
3. Выбор технологии термической обработки
Поставленные прутки разрезают на мерные заготовки. Затем
проводят предварительную термическую обработку в виде отжига t=8550C, основная цель которого
снижение твердости для улучшения обрабатываемости резаньем. После
предварительной механической обработки (точение) в окончательные размеры с
небольшим припуском на шлифование, проводят окончательную упрочняющую
термическую обработку и окончательную механическую обработку(шлифование).
Технологию изготовления оси можно реализовать путем:
нагрев под закалку (t=8600C), закалка производится в масло. Затем проводят отпуск (t=5000C) с охлаждением в воде
или масле.
Перед закалкой, для измельчения зерна можно провести
нормализацию (t=8600С)
с охлаждением на воздухе.
После закалки получим структуру мартенсита пакетного. Структура
после высокого отпуска - сорбит отпуска.
Закалка стали 40Х с высоким отпуском, обеспечивает высокие
значения предела упругости и большую вязкость и высокую твердость поверхности.
t, 0C
τ, мин.
4.
Выбор основного оборудования
Конвейерные закалочно-отпускные агрегаты
состоят из закалочных конвейерных электропечей типа CKО, закалочных баков,
моечных машин, отпускных конвейерных электропечей типа СКО (для высокого
отпуска). Схематические разрезы конвейерного закалочно-отпускного агрегата
представлены на рисунке 4. Вследствие использования в электропечах
окислительной атмосферы, обработанные в них детали имеют окалину и требуют
значительно большей механической обработки. Они предназначены для встраивания в
автоматические и поточные линии на автомобильных, подшипниковых, тракторных,
метизных и других заводах.
Нагрев под закалку ведется в воздушной
атмосфере, а высокий отпуск также в воздушной среде.
Конвейерная лента выполнена из
штампованных звеньев (углеродистая сталь) и опирается на не приводной рольганг.
Для ускорения и обеспечения равномерности нагрева каждая зона нагрева снабжена
центробежным вентилятором, установленным на съемной крышке зоны. Закалочный бак
для масла присоединяется к установке.
Моечные машины с аналогичной конструкции
конвейерной ленты выпускаются двухзонными. В одной зоне происходит промывка
деталей, поступающих из масляного бака, специальным раствором, во
второй-охлаждение деталей водой.
Таблица 4.1. - Состав агрегата
|
Индекс агрегата
|
Закалочная
электропечь
|
Закалочный бак
для масла
|
Моечная машина
|
Отпускная
электропечь
|
Производительность
агрегата, кг/ч
|
|
СКОА-4.30.1/7
|
СКО-4.30.1/9
|
|
МКП-6.20
|
СКО-8.35.4/7
|
150-240
|
Рисунок 4. Конвейерный закалочно-отпускной
электропечной агрегат с закалкой в масле и высокотемпературным отпуском: I - труба к вытяжной
вентиляции; 2 - закалочная электропечь; 3 - труба для отвода паров масла в
вытяжную вентиляцию; 4-присоединения к цеховой вентиляции; 5 - закалочный бак;
6 - конвейерная моечная машина; 7 - отпускная электропечь; 8 - для подвода
воды; 9 - штуцер для слива воды; 10 - штуцер для слива раствора; 11 - штуцер
для подвода и отвода пара; 12 - для аварийного слива закаливающей жидкости; 13
- штуцер для подвода закаливающей жидкости; 14 - штуцер для подвода жидкости
5. Выбор контролируемой атмосферы
В результате нагрева сталей на основе хрома в воздушной
атмосфере происходит их окисление и обезуглероживания, так как хром является
ведущим элементом по значению термодинамического потенциала окисления. Поэтому
нагрев данной оси под нормализацию было решено проводить в контролируемой
атмосфере. В качестве контролируемой атмосферы используется эндогаз.
Наличие 20% CO в составе эндогаза обеспечивает углеродный
потенциал атмосферы 0.4-0.5%. Сталь 40Х в этой атмосфере не окисляется и не
обезуглероживается.
Эндотермическая атмосфера (эндогаз) получается при частичном
сжигании природного газа или жидких углеводородных смесей при большом
недостатке воздуха а=0.25-0.28 в эндогенераторах; а обозначается коэффициент
расхода воздуха, который представляет собой отношение действительного
количества подаваемого воздуха к теоретическому количеству, необходимому для
полного сжигания газа.
При а=0.25-0.28 происходит следующая реакция:
CH
+1/2 [H
+1.9N+3.8N] = CO+ 2H+1.9N-Q
Наряду с СО, H, N эндогаз содержит некоторое количество HO2, C Oи СH.
Нагрев под закалку и отпуск производят
в воздушной атмосфере.
6.
Выбор охлаждающей среды
Охлаждение после закалки проводится в масле, охлаждение
должно обеспечить получение мартенситной структуры в пределах заданного
сечения. После закалки делается высокий отпуск с охлаждением в воде.
Закалка производится в масле для уменьшения термических
напряжений в детали. Для большей охлаждающей способности масло можно
подогревать. Закалка в масло имеет преимущество перед закалкой в воду, так как
уменьшается каробление и уменьшается вероятность появления закалочных трещин.
7. Расчет параметров термической обработки
Размеры оси ролика конвейера: d=40 мм, l=500 мм
Температура нагрева под закалку:
T= A
+(30…50)°С=815+45=860°С
Определяем критерий Био:
Критерий Био определяется по формуле: [4]
, где
, где
-суммарный коэффициент теплопередачи
Вт*м/К;
-характерный размер;
- коэффициент теплопроводности;
, где [4]
, где [4]
-степень черноты металла и равна 0,97 [4]
- степень черноты кладки и равна 0,8
С
=0,88*5.7=5.02
, тогда
Вт/м*К;
Поскольку зависит от температуры, то необходимо
выбрать среднее значение при средней температуре
Для симметричного нагрева характерно:
, где d-диаметр изделия;
таким образом 
, что меньше 0,25 значит это теплотехнически тонкое тело и тогда:
, где [4]
кг.
м
Время нагрева под закалку 46 мин, время выдержки
8.
Контроль качества
8.1
Входной контроль
. Путки, полосы принимают партиями, состоящими
из стали одной плавки, одного размера и одного режима термической обработки.
Каждую партию сопровождают документом о качестве по ГОСТ 7566-81;
2. Для проверки качества от партии прутков отбирают:
а) Для химического анализа пробы по ГОСТ 4565-81. Контроль
остаточной меди, никеля, азота, вольфрама, ванадия, молибдена и титана проводят
периодически не реже раза в квартал; контроль массовой доли серы и фосфора не
более 0.025% каждого в качественной стали
б) Для проверки качества поверхности и размеров все прутки;
в) для контроля макроструктуры по излому или травлением, для
испытания на растяжения и ударный изгиб - два прутка;
г) для контроля макроструктуры, испытания на осадку,
определения глубины обезуглероженного слоя - три прутка;
д) для определения твердости - три прутка;
е) для определения прокаливаемости и величины зерна по одному
прутку;
з) при получении неудовлетворительных результатов испытания
хотя бы по одному из показателей, по нему проводят повторные испытания по ГОСТ
7566-81. Результаты повторных испытаний являются окончательными.
8.2
Выходной контроль
. Контроль валов должен производиться в нормальных
климатических условиях по ГОСТ 9650-80.
. Проверка соответствия осей ниже перечисленным требованиям
проводится путем внешнего осмотра, сличением с НД, КД с образцами - эталонами
(при наличии), а также измерением размеров, предельных отклонений, допусков
форм и расположение поверхностей при помощи измерительного инструмента,
приспособлений и приборов, обеспечивающих измерение с погрешностями, не
превышающие установленные в ГОСТ 9650-80:
.1. оси должны быть изготовлены в соответствии с требованием
настоящего стандарта по рабочим чертежам, утвержденном в установленном порядке;
.2. оси должны изготовляться из легированной стали по ГОСТ 4543-71;
.3. на поверхности осей трещины, раковины, инородные
включения, коррозия не допускаются. Допускаемые виды дефектов (отклонений), не
снижающие эксплуатационные показатели осей, устанавливаются с КД.
.4. отклонения от параллельности боковых поверхностей осей,
относительно оси детали, не должно превышать 0,05 мм на длине 100 мм;
.5 шероховатость поверхности должна соответствовать ГОСТ
2789-73.
. Твердость термообработанных осей должна проверяться в
среднем сечении поверхности по ГОСТ 9012-59 и ГОСТ 9013-59. Места измерения
твердости должны быть указаны в КД.
. Упаковка осей - по ГОСТ 23170-72.
Заключение
Для изготовления оси диаметром 40 мм была выбрана сталь 40Х.
Наилучшим режимом термической обработки является нормализация 860°С и
охлаждением на воздухе, затем закалка 8600С в масло и высокий отпуск
с нагревом до 5000С и выдержкой при данной температуре в течении 10
минут с последующим охлаждением в воду. При данной термической обработке
изготовленная ось будет иметь заданные механические свойства.
Список
источников
1. Сорокин В.Г. Стали и сплавы. М. 2001 г.
2. Гурченко П.С. Упрочнение при индукционном нагреве и
управляемом охлаждении. Гомель, 1999 г.
3. Филинов С.А., Фиргер И.В. Справочник термиста. М. 1964 г.
4. Кривандин И.А.
Металлургическая теплотехника. М. 1986 г.