Завдання № д-18
Для зубчастих коліс, що працюють на знос, застосовуються сталі, що цементуються, а також поліпшуються сталі після азотування.
1.Виберіть сталь і призначте режими термічної та хіміко-термічної обробки для малонавантаженого зубчастого колеса діаметром 60 мм, максимальним перерізом 20 мм, якщо робоча температура деталі не перевищує 75 ºС. Виробництво масове. Побудуйте графік термообробки, що включає термічну та хіміко-термічну обробку в координатах температура-час.
2.Опишіть процес ХТО, а також структурні перетворення, що відбуваються на поверхні та в серцевині деталі на всіх етапах термічної обробки. Вкажіть остаточну твердість поверхні та серцевини зубчастого колеса після зміцнювальної обробки.
3.Наведіть основні відомості про цю сталь: хімічний склад за ГОСТом, область застосування, вимоги до цього виду виробів, механічні та технологічні властивості, вплив легуючих елементів та ін.
1)Від зубчастих коліс потрібна зносостійкість профілів та торців зубів.
Висока твердість поверхні необхідна для утруднення стирання контактних поверхонь під час їх прослизання. Найбільш повно цій вимогі задовольняють сталі, що мають твердий поверхневий шар, а також в'язку і досить міцну серцевину, здатну протистояти дії ударних навантажень. Поєднання твердої поверхні та в'язкої серцевини досягається хіміко-термічною обробкою низьковуглецевих сталей або поверхневим загартуванням середньовуглецевих сталей.
Деякі деталі працюють в умовах поверхневого зносу, випробовуючи
при цьому динамічні навантаження. Такі деталі виготовляють із
низьковуглецевих сталей, що містять0,10–0,30 % С, піддаючи їх потім
Для виробів невеликих розмірів, деталей невідповідального призначення
застосовують сталі 10, 15, 20, для деталей складнішої форми, деталей сильно
навантажених, великих застосовують низьколеговані сталі з невеликим
Вироби невеликого перерізу та нескладної форми, що працюють при
підвищених питомих навантаженнях (втулки, валики, осі, кулачкові муфти,
поршневі пальці і т.д.), роблять з хромистих сталей 15Х, 20Х, що містять
близько 1% Сг. При вмісті хрому до 1,5% у цементованому шарі підвищується концентрація вуглецю, утворюється легований цементит (Fе, Сг)3С, збільшується глибина евтектоїдного шару, а після термічної обробки збільшується і глибина загартованого шару. Додаткове легування цих сталей ванадієм (0,1(0,2 %)-сталь 15ХФ-сприяє отриманню дрібнішого зерна, що покращує пластичність і в'язкість.
Для дрібних та середніх коліс приладів, сільськогосподарських машин застосовують хромисті сталі 15Х, 15ХФ, 20ХР.
Хромисті сталі 15Х, 20Х, а також містять додатково ванадій (15ХФ) або бор (20ХР), утворюють групу дешевих сталей нормальної міцності. Для зменшення короблення їх загартовують над воді, а маслі. В результаті вони набувають структури трооститу або бейніту і зміцнюються дещо менше. Сталі цієї групи застосовують для невеликих деталей (перерізом не більше 25 мм), що працюють при середніх навантаженнях.
Виберемо сталь марки 15ХФ.
Цементація у твердому карбюризаторі
Технологічний процес дифузійного насичення вуглецем називається цементацією. Зазвичай після цементації сталь піддають загартування та низької відпустки. Поверхні, що не підлягають цементації, захищають гальванічним уповільненням; товщина мідного шарустановить 0,02 – 0,05 мм.
Цементації зазвичай піддають такі деталі машин, які повинні мати зносостійку робочу поверхню та в'язку серцевину: зубчасті колеса, вали та пальці, розподільні валики, кулачки, черв'яки тощо.
Процес цементації у твердому карбюризаторі йде через газову фазу. Найбільш поширений твердий карбюризатор складається в основному з деревного вугілля з добавкою 20 - 25% ВаСОз для інтенсифікації процесу і 3 - 5% СаСОз для запобігання спіканню частинок карбюризатора. Деталі, що підлягають цементації, та карбюризатор упаковують у контейнер (сталевий ящик) та нагрівають у печі до 910 - 930 °С. При нагріванні вугілля взаємодіє з киснем залишкового повітря реакції
Крім того, оксид вуглецю утворюється в результаті реакції
ВаСОз + С → ВаО + 2СО
На поверхні деталей відбувається провідна процес цементації реакція диспропорціонування
в результаті якої активний вуглець адсорбується поверхнею, що насичується, що знаходиться в аустенітному стані, а СO2 взаємодіє з вугіллям, утворюючи нові порції СО.
Таким чином, в результаті оборотної реакції диспропорціонування вуглець переноситься на поверхню, що насичується.
Типова структура цементованого шару на поверхні низьковуглецевої сталі після повільного охолодження від температури цементації складається з заевтектоїдної, евтектоїдної, доевтектоїдної зон. Зазвичай її зіставляють зі схемами:
Мал. 1. Ділянка діаграмистануFe-Fe3C, а також зміна вмісту вуглецю та структури за товщиноюцементованого шаруh(схема)tц>-температура цементації;tз1>tз2 -температура нагрівання при першому та другому загартуванні відповідно.
Прийнято розрізняти повну та ефективну товщину цементованого шару. За ефективну товщину приймають суму заевтектоїдної, евтектоїдної та половини доевтектоїдної зони шару. Ефективна товщина цементованого шару зазвичай становить 0,5 - 1,8 мм і у виняткових випадках досягає 6 мм (при великих контактних навантаженнях на цементовану поверхню).
Структура після цементації виходить крупнозерниста у зв'язку з тривалою витримкою деталей при температурі навуглерожування. Тривалість ізотермічної витримки при цементації залежить від заданої товщини шару і марки сталі, що цементуються.
Термічна обробка після цементації
Для отримання заданого комплексу механічних властивостей після цементації потрібна додаткова термічна обробка деталей.
Залежно від умов роботи, а також від обраної для виготовлення деталі сталі, режим термічної обробки, що зміцнює, може відрізнятися. Для малонавантажених тертьових деталей машин, що зазнають в умовах роботи динамічне навантаження, в результаті термічної обробки потрібно отримати не тільки високу поверхневу твердість, але і високу міцність (наприклад, для зубчастих коліс - високу міцність на вигин), а також високу ударну в'язкість. Для забезпечення зазначених властивостей необхідне дрібне зерно як на поверхні деталі, так і в серцевині. У таких випадках цементовані деталі піддають складній термічній обробці, що складається з двох загартування, що послідовно проводять, і низької відпустки.
При першому загартуванні деталь нагрівають до температури на 30 - 50 ° С вище температури Ас цементованої сталі.
При другому загартуванні деталь нагрівають до t32 з перевищенням на 30-50 ° С температуриАс1 (див. рис. 1).
Остаточною операцією термічної обробки є низька відпустка при 160 - 200 ° С, що зменшує залишкові напруги і не знижує твердість сталі.