Разработка технологии химико-термической обработки зубчатого колеса

ИНДИВИДУАЛЬНОЕ ДОМАШНЕЕ ЗАДАНИЕ

по дисциплине: «Технология термической обработки металлопродукции на машиностроительных заводах»

на тему: «Разработка технологии химико-термической обработки зубчатого колеса»

РЕФЕРАТ

Объект исследования - химико-термическая обработка зубчатого колеса.

Цель работы - разработать технологию химико-термической обработки зубчатого колеса.

Методы исследования - расчётно-аналитический метод.

Область применения - термические цехи машиностроительных и металлургических предприятий.

Рассмотрены общая характеристика и требования к зубчатому колесу, выбрана и обоснована марка стали для изготовления зубчатого колеса, назначен режим химико-термической обработки для зубчатого колеса.

ЗУБЧАТОЕ КОЛЕСО, ТЕРМИЧЕСКАЯ ОБРАБОТКА, ЦЕМЕНТАЦИЯ, ЗАКАЛКА, ТВЁРДОСТЬ, ОТПУСК, ПРОКАЛИВАЕМОСТЬ

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ

ОПИСАНИЕ РАБОТЫ ЗУБЧАТОГО КОЛЕСА И ПРЕДЪЯВЛЯЕМЫЕ К НЕМУ ТРЕБОВАНИЯ

ВЫБОР И ОБОСНОВАНИЕ МАРКИ СТАЛИ

РАЗРАБОТКА ТЕХНОЛОГИИ ХИМИКО-ТЕРМИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКИ ЗУБЧАТОГО КОЛЕСА

КОНТРОЛЬ КАЧЕСТВА ЗУБЧАТОГО КОЛЕСА ИЗ СТАЛИ 18ХГТ

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

ЛИТЕРАТУРА

ВВЕДЕНИЕ

В развитии машиностроительной промышленности значительная роль принадлежит термистам, так как термическая обработка является одной из основных, наиболее важных операций общего технологического цикла обработки, от правильного выполнения которой зависит качество (механические и физико-химические свойства) изготовляемых деталей машин и механизмов, инструмента и другой продукции.

Широкое применение термообработки в машиностроении обусловлено возможностью эффективного повышения качества надежности машин и входящих в них механизмов, увеличение срока службы и повышение технологических характеристик, что приведет к улучшению качества работ на таких машинах.

Зубчатое колесо является одной из наиболее распространенных деталей в современном машиностроении. Зубья колес должны обладать достаточно высокими прочностью, твердостью, способностью сопротивляться истиранию и другими свойствами, обеспечивающими надежную работу зубчатой передачи при наименьших ее габаритах и массе. Поэтому зубчатые колеса изготовляют преимущественно из углеродистой и легированной стали с содержанием углерода 0,1-0,6% с термической или химико-термической обработкой. Наибольшее распространение получила химико-термическая обработка зубчатых колес, позволяющая получить высокую твердость поверхности зубьев при сохранении вязкой сердцевины.

Таким образом, целью данного задания является разработка рациональной технологии химико-термической обработки зубчатого колеса, в результате которой будут достигнуты требуемые свойства, обеспечивающие надежную и долгосрочную работу детали в заданных условиях эксплуатации.

1 ОПИСАНИЕ РАБОТЫ ЗУБЧАТОГО КОЛЕСА И ПРЕДЪЯВЛЯЕМЫЕ К НЕМУ ТРЕБОВАНИЯ

Рассматриваемое зубчатое колесо используется в редукторах для передачи вращательного движения. Зубчатое колесо представлено на рисунке 1.1.

Рисунок 1.1 - Общий вид зубчатого колеса

Зубчатое колесо работает в условиях высокой нагрузки и контактного износа. В процессе эксплуатации наибольшие нагрузки испытывают зубья. Они подвергаются изгибу при максимальном однократном нагружении (например, при заклинивании); изгибу при максимальных циклических нагрузках; контактным напряжением на боковых рабочих поверхностях зубьев; износу боковых поверхностей зубьев [1].

Для обеспечения длительной работы зубчатое колесо должно иметь высокую статическую и усталостную прочность на изгиб, высокую контактную прочность и износостойкость зубьев.

Наиболее важным свойством является твердость поверхности зубьев и сердцевины. Таким образом, деталь должна обладать следующими свойствами:

Ø  толщина упрочненного слоя - 0,8-1,0 мм;

Ø  твердость поверхности зубьев - 61-63 HRC;

Ø  твердость сердцевины - 40-41 HRC.

Материал для изготовления зубчатого колеса должен соответствовать следующим требованиям:

·        σ0,2 = 780-830 Н/мм2;

·        σВ = 980-1100 Н/мм2;

·        δ ≥ 9 %;

·        ψ ≥ 50 %;

·        KCU = 75-80 Дж/см2.

2 ВЫБОР И ОБОСНОВАНИЕ МАРКИ СТАЛИ

Марка стали для производства рассматриваемого зубчатого колеса должна обладать достаточно высокой прокаливаемостью и закаливаемостью, хорошей обрабатываемостью резанием и высокой твердостью зубьев после химико-термической обработки.

Значения механических свойств некоторых цементуемых сталей и их критические диаметры представлены в таблицах 2.1 и 2.2 соответственно.

Таблица 2.1 - Механические свойства некоторых конструкционных легированных сталей после химико-термической обработки [2]

Таблица 2.2 - Критический диаметр для 90% мартенсита, мм* [2]

*значения критических диаметров приведены после термической обработки, заключающейся в закалке с 880-900ºС.

Из приведенных данных в таблицах 2.1 и 2.2 видно, что сталь 18ХГ не соответствует требованиям по твердости поверхности, что может привести к преждевременному выходу из строя изделия.

Стали 18ХГТ и 30ХГТ соответствуют по прокаливаемости и твердости поверхности зубьев. Однако, сталь 30ХГТ имеет более высокую твердость сердцевины и, как следствие, более низкую вязкость (сердцевины), что является убыточным свойством для данной шестерни, поскольку может привести к поломке детали. Наиболее оптимальным материалом, для изготовления заданной шестерни, является сталь 18ХГТ. Данная сталь полностью соответствует требованиям, предъявляемым к изделию, а также является экономически выгодной, в виду более низкого содержания углерода (в сравнении со сталью 30ХГТ) и большей распространенности данной стали.

Химический состав, механические свойства и температуры критических точек представлены в таблицах 2.3-2.4.

Таблица 2.3 - Химический состав стали 18ХГТ, % (ГОСТ 4543) [2]

Таблица 2.4 - Температуры критических точек стали 18ХГТ, ºС [2]

Сталь 18ХГТ относится к группе наследственно мелкозернистых сталей (табл. 2.5), что существенно упрощает проведение химико-термической обработки, позволяя производить закалку с цементационного нагрева. Наличие такого легирующего элемента, как титан, снижает степень роста зерна при нагреве.

Таблица 2.5 - Влияние температуры нагрева в течении 3ч на рост зерна стали 18ХГТ [3]

Зубчатое колесо из стали 18ХГТ подвергается цементации, а уже после цементации проводится закалка. Содержание углерода в поверхностном слое после насыщения должно составлять 0,8-1,0% углерода. При меньшем уровне снижается контактная выносливость стали, при более высоком содержании возрастает хрупкость и снижается усталостная прочность изделий. Оптимальная структура поверхностного слоя - мелкоигольчатый мартенсит с небольшими равномерно распределенными изолированными участками остаточного аустенита. Структура сердцевины должна состоять из нижнего бейнита.

На рисунке 2.1 представлена диаграмма изотермического превращения аустенита цементованной стали 18ХГТ. С её помощью определим критическую скорость охлаждения для  поверхности (0,8-1,0 мм). Она соответствует 18ºС/с. На поверхности изделия, для получения 100% мартенсита скорость охлаждения должна превышать критическую скорость. Чтобы обеспечить необходимую скорость охлаждения, в качестве охлаждающей среды подойдет масло.

Рисунок 2.1 - Диаграмма распада переохлажденного аустенита цементованной стали 18ХГТ (с содержание углерода в поверхности 0,95%) [5]

После закалки изделие необходимо подвергнуть отпуску для снятия внутренних напряжений, но без существенного понижения твердости. На рисунке 2.3 приведено влияние температуры отпуска на твердость сердцевины цементованного зубчатого колеса из стали 18ХГТ.

Рисунок 2.2 - Влияние температуры отпуска на твердость закаленной стали 18ХГТ [2]

Как видно из графика на рисунке 2.2 требуемая твердость сердцевины достигается при температуре отпуска в интервале 200-300ºС, а при дальнейшем повышении температуры твердость понижается. Принимаем температуру для отпуска равной 200-220ºС, поскольку при данной температуре получаем наиболее стабильный уровень механических свойств.

3 РАЗРАБОТКА ТЕХНОЛОГИИ ХИМИКО-ТЕРМИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКИ ЗУБЧАТОГО КОЛЕСА

зубчатый колесо сталь обработка

Зубчатое колесо из стали 18ХГТ для приобретения необходимых свойств подвергается химико-термической обработке, режим которой приведен на рисунке 4.1. Химико-термическая обработка включает в себя цементацию, закалка с цементационного нагрева (с подстуживанием) и низкий отпуск.

Рисунок 3.1 - Режим химико-термической обработки зубчатого колеса из стали 18ХГТ

Цементация зубчатого колеса из стали 18ХГТ проводится в газовой среде, состоящей из 3-5% эндогаза и природного газа. Температура цементации составляет 930-950ºС [5].

Время нагрева рассчитывается по формуле Гуляева А.П. [5], с учётом коэффициента легированности стали и времени на нагрев приспособления:

τн = 0,1 • к1 • к2 • к3 • Д1 • кл • кпр, мин

где к1 - коэффициент формы изделия, принимаем равным как для цилиндра, тогда к1=2;

к2 - коэффициент среды, выберем среду газовой, поэтому к2=2;

к3 - коэффициент равномерности нагрева, согласно способу укладки показанному на рисунке 3.2, равен 1,4;

Д1 - размерная характеристика изделия (минимальный размер максимального сечения), для данного зубчатого колеса Д1=20мм;

кл - коэффициент, учитывающий легирование стали, равный 1,5;

кпр - коэффициент на нагрев приспособления, выбираем равным 1,2.

Рисунок 3.2 - Расположение изделий в печи

Подставим все полученные значения коэффициентов и размерную характеристику изделия в формулу Гуляева и определим время нагрева:

τн = 0,1 • 2 • 2 • 1,4 • 20 • 1,5 • 1,2 = 21 мин

Продолжительность процесса цементации определяется по формуле:

τц= δ/ V, мин [5],

где δ- глубина насыщенного слоя, мм;

δ = 0,8 - 1,0 мм (для расчета δ примем равной 0,9 мм);- скорость газовой цементации, мм/час (V=0,25 мм/ч) [5].

Следовательно

τц = 0,9/0,25 = 3,6 часа = 216 мин.

Сталь 18ХГТ относится к наследственно мелкозернистым сталям, поэтому закалка зубчатого колеса будет производится непосредственно с цементационного нагрева с подстуживанием выше на 30-50ºС температуры Аr3 сердцевины, что для стали 18ХГТ соответствует температуре 760-780ºС [2]. Подстуживание способствует снижению коробления деталей и повышению твердости поверхности за счет уменьшения количества остаточного аустенита.

Закалка зубчатого колеса из стали 18ХГТ производится в масле типа МЗМ-120, tм = 20-80ºС. Температура вспышки данного типа масла составляет 220ºС. Максимальная рабочая температура масла не должна превышать 190ºС [6]. После закалки в масле, проводится очистка изделия в промывочной ванне в 3-5% водном растворе щелочи NaOH.

Для получения необходимых свойств зубчатое колесо подвергают низкому отпуску при температуре 200-220ºС [2]. Длительность отпуска определяется с учётом коэффициента легирования и времени на нагрев приспособления:

τотп = (120 + δ • τуд ) • кл • кпр, мин

где δ - удельное сечение изделия, в данном случае δ=Д=20мм;

τуд - удельное время нагрева, определяется из соотношения 1 мин/мм сечения изделия.

Тогда длительность отпуска составит:

τотп = (120 + 1 • 20) • 1,5 • 1,2 = 252 мин.

После отпуска изделие охлаждаем на воздухе. После проведенной термической обработки зубчатое колесо будет подвергаться контролю качества.

4 КОНТРОЛЬ КАЧЕСТВА ЗУБЧАТОГО КОЛЕСА ИЗ СТАЛИ 18ХГТ

Основными характеристиками, которые контролируют в зубчатых колесах, являются твердость поверхности и сердцевины, глубина слоя и структура.

Сперва проводят визуальный осмотр. Проверяют отсутствие на поверхности зубчатых колес трещин и других грубых дефектов. Для внешнего осмотра отбирают 20% от партии термически обработанных деталей.

На образцах-свидетелях контролируют глубину насыщенного слоя с помощью микроскопа.

Следующей операцией является контроль твердости изделий. Контроль твердости осуществляется на твердомерах Роквелла. Контролю твердости подвергаются 1% изделий от садки.

Контроль структуры в сердцевине образцов и в поверхностном науглероженном слое на шлифах проводят на полученных также из образцов свидетелей. В поверхностном слое обязательно должен присутствовать Аост в количестве не более 15%, недопустимо появление феррита, а также выделение карбидов в виде сетки. Нежелательно появление феррита и в сердцевине.

Содержание углерода в поверхностном слое зубчатого колеса определяется с помощью послойного химического анализа стружки.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В данной работе разработана технология химико-термической обработки зубчатого колеса, работающего в редукторах при сильных нагрузках.

В соответствии с условиями эксплуатации и требованиями к данной детали выбрана марка стали 18ХГТ для его изготовления.

Расчет параметров режима химико-термической обработки зубчатого колеса из стали 18ХГТ производился в соответствии со свойствами и особенностями выбранной стали. Цементация изделия из стали 18ХГТ производится при температурах 920-950 0С, затем закалка с цементационного нагрева с подстуживанием до 760-780ºС. Заключительной операцией химико-термической обработки является низкий отпуск при температурах 200-2200С.

Выбраны методы контроля свойств зубчатого колеса в соответствии с требованиями к ним.

ЛИТЕРАТУРА

1.   Башнин Ю.А., Ушаков Б.К., Секей А.Г. Технология термической обработки сталей. -М.:Металлургия, 1986.-424 с.

2.   Сорокин В.Г. Стали и сплавы: Марочник / В.Г. Сорокин , М. А. Гервасьев, В. С. Палеев, И. В. Гервасьева, С. Я. Палеева - М.: Машиностроение, 1989. - 638с.

3.      Борисенок Г.В. Химико-термическая обработка металлов и сплавов. Справочник/Г.В. Борисенок, Л.А. Васильев,Л.Г. Ворошнин и др - М.:Металлургия, 1981, 424с.

4.   Термическая обработка в машиностроении: справочник / Под ред. Ю.М. Лахтина, А.Г. Рахштадта. - М.: Машиностроение, 1960. - 783 с.

5.   Тылкин, М.А. Справочник термиста ремонтной службы / М.А. Тылкин. - М.: Металлургия, 1981. - 648 с.

6.      Люты, В. Закалочные среды: справочное изд-е. / пер. с польск. - Челябинск: Металлургия, 1990. - 192 с.