Реферат: Разработка технологического процесса термической обработки стальной детали. Вал коробки передач

Разработкатехнологического процесса термической обработки детали.

·   Разработать технологический процесстермической обработки стальной детали: Вал коробки передач.

·   Марка стали: Ст. 25ХГМ

·   Твердость после окончательнойтермообработки:

HRC 60-65 (пов.), НВ 363 – 444.

       Цель задания: практическое ознакомление сметодикой разработки технологического процесса термической обработки деталей(автомобилей, тракторов и сельскохозяйственных машин); приобретение навыковсамостоятельной работы со справочной литературой, более глубокое усвоениекурса, а также проверка остаточных знаний материала, изучаемого в 1 семестре.

Порядок выполнениязадания:

1.        Расшифроватьмарку заданной стали, описать ее микроструктуру, механические свойства доокончательной термообработки и указать, к какой группе по назначению онаотносится.

2.        Описать характервлияния углерода и легирующих элементов заданной стали на положение критическихточек Ас1 и Ас3, Асm. Рост зернааустенита, закаливаемость и прокаливаемость, на положение точек Мн и Мк, наколичество остаточного аустенита и на отпуск. При отсутствии легирующихэлементов в заданной марке стали описать влияние постоянных примесей (марганца,кремния, серы, фосфора, кислорода, азота и водорода) на ее свойства.

3.        Выбрать иобосновать последовательность операции предварительной и окончательнойтермообработки деталей, увязав с методами получения и обработки заготовки(литье, ковка или штамповка, прокат, механическая обработка).

4.        Назначить иобосновать режим операций предварительной и окончательной термообработкидеталей (температура  нагрева и микроструктура в нагретом состоянии, охлаждающаясреда).

5.        Описатьмикроструктуру и механические свойства материала детали после окончательнойтермообработки.

1.        Расшифровкамарки стали.

Сталь марки 25ХГМ: хромомарганцевая сталь ссодержанием углерода 0,25%, до 1% хрома, марганца и молибдена.

Сталь 25ХГМ можно классифицировать по следующим признакам:

-   по назначению — конструкционная (машиностроительная) цементируемая(нитроцементируемая);

-   по химическому составу – легированная; 

-   по содержания углерода – низкоуглеродистая;

-   по степени раскисления – спокойная.

Таблица 1. Массоваядоля элементов, % по ГОСТ 4543-71

C

Mo

S

Mn

P

Cr

Cu

0,20 –

0,30

0,90 –

1,20

Температуракритических точек, 0С.

Ас1

Ас3

Аr1

Ar3

770

825

665

860

Назначение:

Зубчатые колеса, валы, шестерни,кулачковые муфты, червяки, поршневые пальцы, оси, коленчатые валы, втулки идругие нагруженные крупные деталями, работающие в условиях ударных нагрузок.

Механические свойства  стали 25ХГМ в состоянии поставки: твёрдостьв горячекатаном состоянии – НВ2050…2150.

2. Анализ влиянияуглерода и легирующих элементов стали на технологию ее термообработки иполученные результаты.

Хром – оченьраспространенный легирующий элемент. Он повышает точку А3 и понижаютточку А4 (замыкает область γ-железа). Температура эвтектоидногопревращения стали (точку А1) в присутствии хрома повышается, асодержание углерода в эвтектоиде (перлите) понижается. С углеродом хромобразует карбиды (Cr7C3,Cr4C) более прочные и устойчивые, чемцементит. При содержании хрома 3 — 5% в стали одновременно присутствуютлегированный цементит и карбид хрома Cr7C3, а если более 5% хрома, то в сталинаходится только карбид хрома. Растворяясь в феррите, хром повышает еготвердость и прочность и прочность, незначительно снижая вязкость. Хромзначительно увеличивает устойчивость переохлажденного аустенита.

Хром значительноуменьшает критическую скорость закалки, поэтому хромистая сталь обладаетглубокой прокаливаемостью. Температура мартенситного превращения при наличиихрома снижается. Хром препятствует росту зерна и повышает устойчивость противотпуска. Поэтому отпуск хромистых сталей проводится при более высокихтемпературах по сравнению с отпуском углеродистых сталей. Хромистые сталиподвержены отпускной хрупкости и поэтому после отпуска детали следует охлаждатьбыстро (в масле).

Карбидообразующимиэлементами являются хром и марганец. При растворении карбидообразующихэлементов в цементите образующиеся карбиды называются легированным цементитом.При повышении содержания карбидообразующего элемента образуются самостоятельныекарбиды данного элемента с углеродом, так называемые простые карбиды, например,Cr7C3, Cr4C, Mo2C. Всекарбиды очень тверды (HRC 70- 75) и плавятся при высокой температуре (Cr7C3примерно при 1700°С).

Введениелегирующих элементов оказывает влияние на перлитное превращение. Температура перлитногопревращения под влиянием различных легирующих элементов может понижаться илиповы­шаться, а концентрация углерода в перлите уменьшается-. В связи с этим точкаS на диаграмме Fe—Fe3Cпонижается или повышается и одновременносдвигается влево. Следовательно, при введении леги­рующих элементов происходит смещение равновесныхточек на диа­грамме Fe—Fe3C.

При наличиикарбидообразующих элементов кривая изотермического распада не сохраняет свойобычный С-образный вид, а становится как бы двойной С-образной кривой. На такойкривой наблюдаются две зоны минимальной устойчивости аустенита и между ними –зона максимальной устойчивости аустенита. Верхняя зона минимальной устойчивостиаустенита расположена в интервале температур 600 — 650°С. В этой зонепроисходит распад переохлажденного аустенита с образованием феррито-цементитнойсмеси.

Нижняя зона минимальнойустойчивости аустенита расположена в интервале температур 300 — 400°С. В этойзоне происходит распад переохлажденного аустенита с образованием игольчатоготроостита.

/>

Микроструктураигольчатого троостита

Необходимо иметь в виду,что карбидообразующие элементы только в том случае повышают устойчивостьаустенита, если они растворены в аустените. Если же карбиды находятся внераствора в виде обособленных карбидов, то аустенит, наоборот, становится менееустойчивым. Это объясняется тем, что карбиды являются центрами кристаллизации,а также тем, что наличии нерастворенных карбидов приводит к обеднению аустениталегирующим элементом и углеродом.

При большом содержаниихрома в стали находятся специальные карбиды хрома. Твердость такой стали принагревании до более высокой температуры 400 — 450°С почти не изменяется. Принагревании до более высокой температуры (450 — 500°С) происходит повышениетвердости.

2.        Выборвида термической обработки.

         Сталь 25ХГМ поставляется заказчику в горячекатаном состоянии.После прокатки сталь охлаждают на воздухе. Структура – мелкозернистый перлит иферрит. Твёрдость – НВ2050…2150. Механическая обработка резаньем стали такойструктуры и твёрдостью очень затруднена. С целью улучшения обрабатываемости иподготовки  структуры к окончательной термической обработке сталь подвергаютпредварительной термической обработке.

4. Режим операцийпредварительной и окончательной термообработки деталей (температура  нагрева имикроструктура в нагретом состоянии, охлаждающая среда).

Последовательностьопераций обработки червяк руля, изготовленного из стали 25 ХГМ:

Отжиг — цементация — механическаяобработка -  закалка отпуск — механическая обработка;

Способ предварительной термической обработки выбирается в зависимости отмарки стали. Для заготовки из стали 25ХГМ выбираем  изотермический отжиг. Отжигсостоит в нагреве до определённой температуры с последующей выдержкой имедленным охлаждением в печи для получения равновесной, менее твёрдойструктуры, свободной от остаточных напряжений.

Температура нагрева  для отжига рассчитывается по формуле:

tn = АС3+(30…50) °С = 860 + (30…50) °С =890…910°С

Отжиг производится в следующей последовательности:

1)   Нагрев до температуры 890…910`C;

2)  Сравнительно быстрое охлаждение до 615…635`C;

3)  Выдержка. Время изотермической  выдержки определяем по справочнику. Длякаждой стали свой график изотермического процесса;

4)  Охлаждение на воздухе.

Окончательная термическая обработка:

Операция окончательной термической обработки выбираются в зависимости оттехнических требований к заданной детали. Так как  по техническим требованиямнеобходима  высокая твёрдость и контактная выносливость, выбираем, с учётоммарки стали, следующие операции: цементация, закалка в масле и низкий отпуск.Цементацией называется процесс диффузионного насыщения поверхностного слоястальных деталей углеродом.

Выбор последовательности всех операций термической обработки.

Назначаем последовательности всех операций изготовления вала первичнойкоробки передач (от проката до готового изделия). Последовательность операцийизображается графически с указанием номера операции в общем техническомпроцессе изготовления детали.

Назначение режимов окончательной термической обработки.

1)        Температура нагрева рассчитаем по формуле:

tn = АС3+(30…50) °C = 860 + (30…50) °C= 890…910°C

2)        Время выдержки. Учитывая, что при газовой цементации цементированныйслой толщиной 1 мм образуется за 6 — 7 часов, примем время выдержки равное  10– 12 часам.

3) В качестве закаливающей среды выбираем масло трансформаторное,температурой 170°C.

4) Температура нагрева при отпуске: tн=180°C

5) Продолжение отпуска:  1,5-2 часа.

Окончательная структура после термической обработки – мартенсит отпуска свключениями глобулярных карбидов, сердцевина – сорбит, тростит.

Механические свойства 25ХГМ после термической обработки: Твёрдостьповерхности – HRC58…63, сердцевины – HRC35…45.

sв = 1080МПа;   sт = 1080МПа;   d=10%;   KCU=78 Дж/см

Выбор оборудования.

 Выбор оборудования производим в соответствии с назначенными видами  ирассчитанными  видами термической обработки.

Выбираем: Для цементации — шахтная печь для газовой цементации СШЦ –3.4/10.  Диаметр 300 мм, высота  600 мм, максимальная температура 1050°C,  мощность 20 КВт.

Для отпуска — отпускной конвейерный электропечной агрегат с защитной атмосферой СКО-20.155.04/3 Максимальная температура нагрева 300°C, мощность 350КВт, площадь пода  2*1,5м.

Для отжига – закалочная печь с защитной атмосферой.

/>

Микроструктура  мартенсита

Механические свойствастали после термической обработки:

— Твердость HRC 56-62 (пов.), HRC 36-46 (серд.)

— Предельная прочность(σв) равна 578 Н/мм2;

Использованная литература:

1.   Гуляев А.П. Металловедение. — М.:Металлургия, 1977.

2.   Пожидаева С.П. Технология конструкционныхматериалов: Уч. Пособие для студентов 1 и 2 курса факультета технологии ипредпринимательства. Бирск. Госуд. Пед. Ин-т, 2002.

3.   Самохоцкий А.И. Технология термической обработкиметаллов,    М., Машгиз, 1962.

4.  Седов Ю.Е., Адаскин А.М. Справочник молодого термиста. – М.:Высшая школа, 1986. – 239 с.

5.   Солнцев Ю.П., Веселов В.А., Демянцевич В.П. и др. Металловедениеи технология металлов. – М.: Металлургия, 1988. – 512 с.

6.  Лахтин Ю.М., Леонтьева В.П. Материаловедение. – М.: Машиностроение,1990. – 528 с.