Размещено на http://www.allbest.ru/

Введение

Металловедением называется наука, устанавливающая связь между составом, структурой и свойствами металлов и сплавов и изучающая закономерности их изменения при тепловых, химических, механических, электромагнитных и радиоактивных воздействиях.

Все металлы и сплавы принято делить на две группы.

Железо и сплавы на его основе (сталь, чугун) называют черными металлами, а остальные металлы (Be, Mg, Al, Ti, V, Cr, Mn, Co, Ni, Cu, Zn, Zr, Nb, Mo, Ag, Sn, W, Au, Hg, Pb и др.) и их сплавы - цветными.

Современное машиностроение характеризуют непрерывно растущая энергонапряженность, а также тяжелые условия эксплуатации машин. Такие условия работы машин предъявляют к материалам особые требования. Для удовлетворения этих требований создано много сплавов на основе различных металлов.

В современной технике широко применяют стали, обеспечивающие высокую конструктивную прочность, и сплавы, которые остаются прочными при высоких температурах, вязкими при температурах, близких к абсолютному нулю, обладающие высокой коррозионной стойкостью в агрессивных средах или другими физико-химическими свойствами.

Число новых сплавов непрерывно растет.

В специальном машиностроении все шире применяют так называемые композиционные материалы, сплавы с памятью формы и т.д.

За последние годы достижения материаловедения обеспечили небывалый прогресс в разработке конструкционных и инструментальных материалов в различных областях техники. Исследования реальной структуры твердых тел показали принципиальную возможность получения сплавов с прочностью, приближающейся к теоретической, определяемой прочностью межатомных связей.

1. Анализ материала детали

В курсовой работе назначена марка материала для изготовления- сталь 20 ХН.Это означает, что в стали содержится 0,2 % углерода, не более 1% хрома, более 1% никеля.

Наличие хрома повышает прочность, коррозионную стойкость, прокаливаемость (при этом пластичность и вязкость падают).

В хромистых сталях в большей степени развивается промежуточное превращение и при закалке с охлаждением в масле, выполняемой после цементации, сердцевина изделия имеет бейнитное строение. Вследствие этого хромистые стали по сравнению с углеродистыми обладают более высокими прочностными свойствами при несколько меньшей пластичности в сердцевине

Никель находится только в твердом растворе и повышает коррозионные свойства сталей, а также прочность и вязкость.

Метод упрочнения (термообработки): цементация.

2. Разработка технологического процесса термической обработки

В качестве способа термической обработки зубьев принимаем газовую цементацию с последующей закалкой и низким отпуском.

2.1 Общая характеристика цементации

Цементацией называется процесс насыщения поверхностного слоя стали углеродом. Различают два основных вида цементации: твердыми углеродосодержащими смесями (карбюризаторами) и газовую. Целью цементации является получение твердой и износостойкой поверхности, что достигается обогащением поверхностного слоя углеродом до концентрации 0,8ч1,2% и последующей закалкой с низким отпуском. Цементация и последующая термическая обработка одновременно повышают и предел выносливости.

Для цементации обычно используют низкоуглеродистые стали 0,1ч0,18% С. Для крупногабаритных деталей применяют стали с более высоким содержанием углерода (0,2ч0,3%). Выбор таких сталей необходим для того, чтобы сердцевина изделия, не насыщающаяся углеродом при цементации, сохраняла высокую вязкость после закалки.

Для цементации детали поступают после механической обработки нередко с припуском на шлифование 0,05ч0,10 мм. Во многих случаях цементации подвергается только часть детали; тогда участки, не подлежащие упрочнению, защищают тонким слоем меди (0,02ч0,04 мм), которую наносят электролитическим способом или изолируют специальными обмазками, состоящими из смеси огнеупорной глины, песка и асбеста, замешанных на жидком стекле, и др.

Цементацию проводят при температурах 920ч950°С, когда устойчив аустенит, растворяющий в больших количествах углерод. При цементации стали атомы углерода диффундируют в решетку г-железа. По достижении предела насыщения аустенита углеродом, определяемого линией SE на диаграмме Fe-Fe₃C, на поверхности может образоваться сплошной слой цементита.

В реальных условиях цементации образование на поверхности слоя цементита наблюдается крайне редко. Обычно при температуре цементации 920ч950°С диффузионный слой состоит только из аустенита, а после медленного охлаждения - из продуктов его распада - феррита и цементита.

Цементированный слой имеет переменную концентрацию углерода по глубине, убывающей от поверхности к сердцевине детали. В связи с этим после медленного охлаждения в структуре цементованного слоя можно различить (от поверхности к сердцевине) три зоны: заэвтектоидную, состоящую из перлита и вторичного цементита и образующую сетку по бывшему зерну аустенита; эвтектоидную, состоящую из одного пластинчатого перлита, и доэвтектоидную зону, состоящую из перлита и феррита. Количество феррита в этой зоне непрерывно возрастает по мере приближения к сердцевине.

За техническую (эффективную) толщину цементованного слоя обычно принимают сумму заэвтектоидной, эвтектоидной и половины переходной (доэвтектоидной) зон или глубину до твердости HRC50 или HV500ч600 после закалки.

Опыт показывает, что толщина цементованного слоя для деталей, изготовляемых из стали с ? 0,17% С, составляет 15% от наименьшей толщины или диаметра цементуемого сечения. При содержании в стали > 0,17% С толщину слоя уменьшают до 5ч9%, а для изделий, работающих на износ, не испытывающих больших удельных нагрузок, до 3ч4% от наименьшей толщины или диаметра цементуемого сечения. Чаще всего толщина слоя 0,5ч2,0 мм.

Концентрация углерода в поверхностном слое должна составлять 0,8ч1,0%. Для получения максимального сопротивления контактной усталости содержание углерода может быть повышено до 1,1ч1,2%. Более высокая концентрация углерода вызывает ухудшение механических свойств цементуемого изделия.

2.2 Характеристика газовой цементации

Газовую цементацию осуществляют нагревом изделия в среде газов, содержащих углерод. Газовая цементация имеет ряд преимуществ по сравнению с цементацией в твердом карбюризаторе. Поэтому ее широко применяют на заводах, изготавливающих детали массовыми партиями.

В случае газовой цементации можно точно получить заданную концентрацию углерода в слое: сокращается длительность процесса, так как отпадает необходимость прогрева ящиков, наполненных малотеплопроводным карбюризатором; обеспечивается возможность полной механизации и автоматизации процессов и значительно упрощается последующая термическая обработка изделий, так как можно производить закалку непосредственно из цементационной печи.

Наиболее качественный цементационный слой получается при использовании в качестве карбюризатора природного газа (СН₄), состоящего почти полностью из метана, а также пропанобутановых смесей, подвергнутых специальной обработке.

Часто для цементации применяют жидкие углеводороды (бензол, керосин, синтин). Основной реакцией, обеспечивающей науглероживание при газовой цементации, является диссоциация окиси углерода и метана:

деталь сталь цементация термический

2СОСО₂+С_атом или

СН₄2Н₂+ С_атом; С_атомFe_гаустенит Fe_г(С).

Газовую цементацию более часто выполняют в безмуфельных или муфельных печах непрерывного действия, а также в шахтных печах периодического действия. При выполнении процесса в шахтных печах для цементации применяют керосин, синтин, спирты и т.д., каплями подаваемые в печь. высокая термическая устойчивость и хорошая испаряемость жидких углеводородов (керосина, синтина и т.д.) позволяет в одном рабочем пространстве совместить получение газа и процесс цементации.

В печах непрерывного действия применяют главным образом природные газы. Для получения заданной концентрации углерода в цементованном слое (обычно 0,8% С) чаще используют эндотермическую контролируемую атмосферу, в которую добавляют природный газ (92ч95% эндогаза и 5ч8% природного газа).

Для сокращения длительности процесса в промышленности широко используют газовую цементацию, при которой углеродный потенциал эндотермической атмосферы вначале поддерживают высоким, обеспечивающим получение в поверхностной зоне стали 1,3ч1,4% С, а затем углеродный потенциал атмосферы снижают до 0,8% С. В этот период концентрация углерода на поверхности снижается до 0,8%.

Цементацию выполняют при 930ч950°С. Продолжительность цементации для получения слоя толщиной 0,7ч1,5 мм при 930°С в муфельных (безмуфельных) печах непрерывного действия составляет 6ч12 ч, а в шахтных печах 3ч10 ч.

2.3 Термическая обработка стали после цементации и свойства цементованных деталей

Окончательные свойства цементованных изделий достигаются в результате термической обработки, выполняемой после цементации. Этой обработкой можно исправить структуру и измельчить зерно сердцевины и цементованного слоя, неизбежно увеличивающихся во время длительной выдержки при высокой температуре цементации, получить высокую твердость в цементованном слое и хорошие механические свойства сердцевины; устранить карбидную сетку в цементованном слое, которая может возникнуть при насыщении его углеродом до заэвтектоидной концентрации.

2.3.1 Характеристика закалки

Закалка заключается в нагреве стали на 30ч50°С выше Ас₃ для доэвтектоидных сталей или Ас₁ для заэвтектоидных сталей, выдержке для завершения фазовых превращений и последующем охлаждении со скоростью выше критической. Для углеродистых сталей это охлаждение проводят чаще в воде, а для легированных - в масле или в других средах. Закалка не является окончательной операцией термической обработки. Чтобы уменьшить хрупкость и напряжения, вызванные закалкой, и получить требуемые механические свойства, сталь после закалки обязательно подвергают отпуску.

Инструментальную сталь в основном подвергают закалке и отпуску для повышения твердости, износостойкости и прочности, а конструкционную сталь - для повышения прочности, твердости, получения достаточно высокой пластичности и вязкости; для ряда деталей также и высокой износостойкости.

В большинстве случаев после цементации применяют закалку выше точки Ас₁ (сердцевины) при 820ч850°С.

После газовой цементации применяют закалку без повторного нагрева, а непосредственно из цементационной печи после подстуживания изделий до 840ч860°С. Такая обработка не исправляет структуры цементованного слоя и сердцевины. Поэтому непосредственную закалку применяют только в случае, когда изделия изготовлены из наследственно мелкозернистой стали. Для уменьшения деформации цементованных изделий выполняют также ступенчатую закалку в горячем масле 160ч180°С.

Иногда термическая обработка состоит из двойной закалки и отпуска. Первую закалку (или нормализацию) с нагревом до 880ч900°С назначают для исправления структуры сердцевины. Кроме того, при нагреве в поверхностном слое в аустените растворяется цементитная сетка, которая при быстром охлаждении вновь не образуется. Вторую закалку проводят с нагревом до 760ч780°С для устранения перегрева цементованного слоя и придания ему высокой твердости. Недостаток такой термической обработки заключается в сложности технологического процесса, повышенном короблении, возникающем в изделиях сложной формы, и возможности окисления и обезуглероживания.

В результате термической обработки поверхностный слой приобретает структуру мартенсита или мартенсита с небольшим количеством избыточных карбидов в виде глобулей.

2.3.2 Характеристика низкого отпуска

Отпуск заключается в нагреве закаленной стали до температуры ниже Ас₁, выдержке при заданной температуре и последующем охлаждении с определенной скоростью. Отпуск является окончательной операцией термической обработки, в результате которого сталь получает требуемые механические свойства. Кроме того, отпуск полностью или частично устраняет внутренние напряжения, возникающие при закалке. Эти напряжения снимаются тем полнее, чем выше температура отпуска.

Наиболее интенсивно напряжения снижаются в результате выдержки при 550°С в течение 15ч30 мин. После выдержки в течение 1,5 ч напряжения снижаются до минимальной величины, которая может быть достигнута отпуском при данной температуре.

Скорость охлаждения после отпуска также оказывает большое влияние на величину остаточных напряжений. Чем медленнее охлаждение, тем меньше остаточные напряжения. Быстрое охлаждение в воде от 600°С создает новые тепловые напряжения. Охлаждение после отпуска на воздухе дает напряжения на поверхности в 7 раз меньше, а охлаждение в масле в 2,5 раза меньше по сравнению с напряжениями при охлаждении в воде. По этой причине изделия сложной формы во избежание их коробления после отпуска при высоких температурах следует охлаждать медленно, а изделия из легированных сталей, склонных к обратимой отпускной хрупкости, после отпуска при 500ч650°С во всех случаях следует охлаждать быстро.

Низкий отпуск проводят с нагревом до 250°С. При этом снижаются внутренние напряжения, мартенсит закалки переводится в отпущенный мартенсит, повышается прочность и немного улучшается вязкость, без заметного снижения твердости. Закаленная сталь (0,5ч1,3% С) после низкого отпуска сохраняет твердость в пределах HRC58ч63, а следовательно, высокую износостойкость. Однако такое изделие (если оно не имеет вязкой сердцевины) не выдерживает значительных динамических нагрузок.

Низкому отпуску подвергают поэтому режущий и измерительный инструмент из углеродистых и низколегированных сталей, а также детали, претерпевшие поверхностную закалку, цементацию, цианирование или нитроцементацию. Продолжительность отпуска обычно 1ч2,5 ч, а для изделий больших сечений и измерительных инструментов назначают более длительный отпуск.

Низкий отпуск при 160ч180°С является заключительной операцией термической обработки цементованных изделий, переводящей мартенсит закалки в поверхностном слое в отпущенный мартенсит и снимающей напряжения.

Твердость поверхностного слоя для углеродистой стали составляет HRC60ч64; а для легированной HRC58ч61; снижение твердости объясняется образованием повышенного количества остаточного аустенита.

Структура сердцевины обусловлена составом обрабатываемой стали и принятым режимом закалки. Сердцевина деталей из углеродистой стали состоит из феррита и перлита (сорбита), а из легированных сталей - из бейнита или низкоуглеродистого мартенсита при закалке с температуры выше Ас₃. низкоуглеродистый мартенсит обеспечивает повышенную прочность и достаточную вязкость сердцевины. Сохранение обособленных участков или сетки феррита нежелательно, так как это сопровождается значительным снижением предела выносливости, пластичности и вязкости цементованного изделия. Твердость сердцевины обычно составляет HRC30ч40.

Цементация с последующей термической обработкой повышает предел выносливости стальных изделий и резко понижает чувствительность к концентраторам напряжений при условии непрерывной протяженности упрочненного слоя по всей поверхности детали. Дополнительно предел выносливости цементованных изделий может быть повышен дробеструйным наклепом.

2.4 Технологический процесс термической обработки зубьев

Перед началом термической обработки участки, не подлежащие упрочнению, изолируем специальной обмазкой, состоящей из смеси огнеупорной глины, песка и асбеста, замешанных на жидком стекле.

Газовую цементацию зубьев производим в шахтной муфельной электрической печи Ц-25 при температуре 930°С продолжительностью 11ч13 ч для получения слоя толщиной 1,2ч1,5 мм. В качестве карбюризатора применяем природный газ (СН4), состоящий почти полностью из метана, а также пропанобутановых смесей, подвергнутых специальной обработке. Вместе с деталью в печь помещается заготовка из этой же стали для контроля цементованного слоя. В результате газовой цементации получаем феррито-цементитную структуру сорбит. По окончании выдержки контрольная заготовка разрезается, и проверяется размер поверхностного цементованного слоя.

Если он соответствует требуемому размеру, то производим закалку в камерной электрической печи СНО-5.0.10 при 820ч840°С в течение 20ч30 мин. Такая обработка не исправляет структуры цементованного слоя и сердцевины. Закалку производим в масле. При этом образуется мартенсит закалки, остаточный аустенит и карбиды хрома.

Для удаления остаточного аустенита производим низкий отпуск в камерной электрической печи СНО-5.0.10 при 160ч180°С, в результате которого мартенсит закалки переводится в отпущенный мартенсит, повышается прочность и немного улучшается вязкость. В сердцевине получаем структуру сорбит с твердостью HRC25ч30.

Затем производим проверку твердости методом Роквелла по шкале С. Она должна быть равна HRC60ч65.

Список используемых источников

1. Коротаев Д.Н., Мишуров А.Ф., Шутова Е.Ю. Технологический процесс термической обработки деталей машин: Методические указания к курсовой работе по дисциплине «Материаловедение и ТКМ». - Омск: СибАДИ, 2002.

2. Коротаев Д.Н., Мишуров А.Ф., Шутова Е.Ю. Альбом рабочих эскизов к курсовой работе по дисциплине «Материаловедение и ТКМ». - Омск: СибАДИ, 2002.

3. Лахтин Ю.М. Металловедение и термическая обработка металлов. - 2-е изд., перераб. и доп. - М.: Металлургия, 1979.

4. Лахтин Ю.М., Леонтьева В.П. Материаловедение: Учебник для высших учебных заведений. - 3-е изд., перераб. и доп. - М.: Машиностроение, 1990.

5. «Материаловедение» Москва «Машиностроение»,1986г

Арзамасов Б.Н.

6. «Справочник конструктора-машиностроителя».В.И.Анурьев. Москва. «Машиностроение» 1974г

Размещено на Allbest.ru