Исследование шестерни коробки передач

2

Курсовая работа

по курсу «Материаловедение»

Исследуемая деталь: шестерня коробки передач

Содержание

1. Диаграмма системы Fe - Fe₃C

1.1 Характеристики линий диаграммы

1.2 Характеристики точек диаграммы

1.3 Кристаллизация и формирование структуры сплава

1.4 Первичная кристаллизация стали

1.5 Превращения в твердом состоянии

1.6 Превращения в стали при нагреве

1.7 Превращения в стали при охлаждении

2. Анализ условий работы детали

3. Химический состав и исходная структура металла детали

4. Метод термической обработки

4.1 Закалка

4.2 Отпуск

5. Тип нагревательной печи и ее техническая характеристика. Методы механизации процессов термической обработки

6. Состав веществ, предохраняющих металл от обезуглероживания и поверхностной термообработки

7. Контроль качества деталей

8. Охрана труда и техника безопасности при выполнении термической обработки

Список используемой литературы

1. Диаграмма системы Fe-Fe₃C

1.1 Характеристики линий диаграммы

Индекс линий	Температурный интервал, ?С	Интервал концентраций (% углерода)	Основная характеристика линии
Линия ликвидуса
АС СD	1539? - 1147? 1147? ? 1600?	0 - 4,3 4,3 - 6,67	Линия ликвидус (начало затвердевания аустенита). Линия ликвидус (начало затвердевания первичного цементита)
Линия солидуса
АЕ	1539? - 1147?	0 - 2,14	Конец затвердевания аустенита
ЕСF	1147?	2,14 - 6,67	Линия эвтектического равновесия

1.2 Линии превращения в твердом состоянии

SE	727? - 1147?	0,8 - 2,14	Линия ограниченной растворимости углерода в аустените. Начало выделения вторичного цементита.
GS	911? - 727?	0 - 0,8	Начало аллотропического превращения аустенита в феррит
GP	911? - 727?	0 - 0,025	Конец аллотропического превращения (аустенита в феррит)
PSK	727?	0,025 - 6,67	Линия эвтектоидного равновесия аустенита, феррита, цементита
PQ	727? - комн.	0,025 - 0,006	Линия выделения третичного цементита

1.3 Характеристики точек диаграммы

Индекс точки	Содержание углерода,%	Температура, ?С	Характеристика
А	0	1539	Точка затвердевания жидкого железа
С	4,3	1147	Состав жидкой фазы при эвтектическом равновесии с аустенитом и цементитом
Е	2,14	1147	Предельное содержание углерода в аустените. Состав аустенита при эвтектическом равновесии с жидкой фазой и цементитом
S	0,8	727	Состав аустенита при эвтектоидном равновесии с ферритом и цементитом
Р	0,025	727	Предельное содержание углерода в феррите. Состав феррита при эвтектоидном равновесии с аустенитом и цементитом
Q	0,006	Комнатная	Предельное содержание углерода в феррите при комнатной температуре

1.4 Линия трехфазного равновесия

Индекс линии	Температура равновесия, ?С	Фазы, находящиеся в равновесии	Название превращения	Взаимодействие фаз
РSK	727	А+Ф+Ц	эвтектоидное	Aс? Фp+Ц (перлит)

1.5 Кристаллизация и формирование структуры сплава

Первичная кристаллизация стали. На рис. 1 показан верхний участок упрощенной диаграммы Fe-Fe₃C.

Рис. 1

В сталях из жидкой фазы кристаллизуется аустенит. Состав жидкой фазы меняется по проекции линии АС на ось концентраций, твердой фазы по проекции линии АЕ.

1.6 Превращения в твердом состоянии

Окончательное формирование структуры стали происходит в результате превращений аустенита при дальнейшем охлаждении. Основой этого превращения является полиморфизм, связанный с перегруппировкой атомов из ГЦК решетки аустенита в ОЦК решетку феррита, а также изменение растворимости углерода по линии ES в аустените и PQ в феррите. В сплавах с содержанием 0,45%С вторичные превращения начинаются при температурах, соответствующих линиям GS и заканчиваются при температуре ниже 727 ?С и линии PSK, в результате эвтектоидной реакции.

Рассмотрим структурообразование сплава с содержанием углерода 0,45%. На рис. 2 приведена левая нижняя часть диаграммы состояния железо-цементит с кривой охлаждения и микроструктурой.

Рис. 2

Сталь 45X, содержащая 0,45% углерода доэвтектоидная. Рассмотрим фазовые и структурные изменения этой стали на примере сплава Ш (рис. 2). В интервале температур t₈-727??C идет полиморфное превращение А? Ф. Состав аустенита меняется по линии GS, а феррита - по линии GP. При 727 ?С концентрация углерода в аустените равна 0,8% (точка S) и в феррите - 0,025% (точка Р).

Ниже этой температуры происходит эвтектоидное превращение. В равновесии находятся три фазы: феррит состава точки Р, аустенит состава точки S, цементит. Так как число степеней свободы равно нулю, т.е. имеется нонвариантное равновесие, то процесс протекает при постоянном составе фаз. На кривых охлаждения или нагрева наблюдается температурная остановка. Таким образом, структура доэвтектоидной стали характеризуется избыточными кристаллами феррита и эвтектоидной смесью феррита с цементитом, называемой перлитом. Количественные соотношения феррита и перлита зависят от состава сплава. Чем больше углерода в доэвтектоидной стали, тем больше в структуре ее перлита и, наоборот, чем меньше углерода, тем больше феррита и меньше перлита. При дальнейшем охлаждении в результате изменения растворимости углерода в феррите (соответственно линии РQ) выделяется третичный цементит. Однако в структуре обнаружить его при наличии перлита невозможно.

1.7 Превращения в стали при нагреве

Нагрев стали при термической обработке в большинстве случаев имеет целью перевод ее структуры в аустенит.

Структура доэвтектоидной стали при нагреве до точки Ас1, состоит из зерен феррита и перлита. В точке Ас1 начинается фазовая перекристаллизация перлита, который превращается в мелкозернистый аустенит. При нагреве сплава от температур Ас1, до Ас3 феррит растворяется в аустените. Образование аустенита -- типичный кристаллизационный процесс, который обеспечивает перестройку а-железо в у-железо с растворнием углерода в у-железе.

Для получения однородного аустенита необходимо повысить температуру либо увеличить выдержку при данной температуре.

Первоначально образовавшиеся при температуре Ас1 участки аустенита растут до тех пор, пока выше точки Ас3 полностью не исчезнет феррит. Следовательно, для завершения превращения в стали при перекристаллизации необходимо нагреть ее на 30-50 °С выше критическихточек (Ас1, Aс3) и выдержать при этой температуре нужное время.

Рост зерна аустенита при нагреве стали оказывает большое влияние как на результаты закалки, так и на механические и физико-химические свойства стали. Сталь с крупным зерном имеет пониженный предел прочности, более низкую ударную вязкость и большую склонность к образованию трещин, т.е. механические свойства крупнозернистой стали значительно хуже, чем мелкозернистой. При термической обработке всегда стремятся к тому, чтобы получить мелкое зерно стали.

На процесс роста зерна в углеродистой стали оказывают влияние температура нагрева, продолжительность нагрева, содержание углерода и способ раскисления, примененный при выплавке стали.

Введение в сталь легирующего элемента хрома тормозит рост зерна аустенита при нагреве.

1.8 Превращения в стали при охлаждении

Аустенит устойчив только при температурах выше линии GSE. При охлаждении стали ниже линии GS аустенит становится неустойчивым; начинается его распад.

При охлаждении легированных сталей рассмотренные структуры могут получиться при иных скоростях охлаждения. Почти во всех легированных сталях при охлаждении в масле получается структура мартенсит

2. Анализ условий работы детали

При эксплуатации шестерня коробки передач должна обладать конструктивной прочностью, то есть деталь должна быть надежной и долговечной. Надежность - свойство детали сохранять во времени в установленных пределах значение всех параметров, характеризующих способность выполнять требуемые функции в заданных режимах в условиях применения.

Долговечность - свойство изделия сохранять работоспособность до предельного состояния невозможности его дальнейшей эксплуатации. Надежность и долговечность шестерни зависит от правильного выбора материала и термической обработки. При этом материал детали должен иметь высокое сопротивление трещинообразованию и распространению этих трещин. При статических нагрузках, действующих на шестерню посадочные места сопряженных деталей должны обладать высокой износостойкостью. При эксплуатации шестерня изнашивается. Особенно износ протекает в местах контакта с другими деталями.

Изнашивание - разрушение поверхностного слоя сопряженных деталей в результате сил трения. При износе происходит изменение размеров, формы, объёма и массы детали. При контакте двух деталей возникают силы трения, которые возрастают с ростом давления между трущимися поверхностями. Основной вид износа - механический износ детали. Молекулярно-механический износ имеет место в процессе приработки механизмов и характеризуется с последующим разрушением неровностей трущихся поверхностей детали и переносом металла с одной поверхности на другую. Длительное воздействие на металл статических нагрузок может вызвать образование микротрещин и разрушения. Очаг разрушения расположен вблизи поверхности. Поверхность, как наиболее нагруженная часть сечения, претерпевает микродеформацию, а затем в наклепанной зоне образуются под поверхностным слоем тещины, которые продвигаются вглубь металла, образуя надрезы и сколы. Шестерня коробки передач разрушается при эксплуатации чаще всего от трещин или обломах посадочных местах. При эксплуатации возникают пробоины на необработанных стенках и сильный износ. В отечественном машиностроении для изготовления шестерни широко применяется сталь 45X или сталь 38XА;

2. Химический состав и исходная структура металла

Согласно ГОСТ 4543-71 легированная сталь 45X относится к хромистой группе стали и содержит следующие массовые доли элементов:

Углерода: 0,41 - 0,49%

Кремния: 0,17 - 0,37%

Марганца: 0,50 - 0,80%

Хрома: 0,80 - 1,10%

Фосфора: 0,025-0,035%

Серы: 0,015 - 0,035%

Медь: 0,025 - 0,030%

Никель: 0,030%

Твердость по Бринеллю (НВ) отожженного или высокоотпущенного проката диаметром или толщиной свыше 5 мм должна соответствовать нормам. Для стали 45X:

Диаметр отпечатка не более 4 мм

Число твердости, HB, не более 229

Для хромистой стали 45X:

Закалка:

Температура первой закалки или нормализации: 840°С

Среда охлаждения: масло

Отпуск:

Температура 520°С

Среда охлаждения: вода или масло

Предел текучести _Т, Н/мм² не менее 835 (85) (кгс/мм²)

Временное сопротивление _в, Н/мм² не менее 1030 (105) (кгс/мм²)

Относительное удлинение _s, не менее 9%

Относительное сужение , не менее 45

Ударная вязкость KCU, Дж/см² не менее 49 (5)

Размер сечения заготовок для термической обработки (диаметр круга), не менее 25 мм

При термической обработке допускаются следующие отклонения по температуре нагрева:

при закалке.......... ± 15 °С

при высоком отпуске...... ± 50 °С.

4. Метод термической обработки

Необходимые свойства стали могут быть получены либо изменением его состава, либо изменением строения сплава - его структуры. Изменение структуры достигается термической обработкой.

Термическая обработка - процесс, состоящий из нагрева стали до определенных температур, соответствующей выдержки и последующего охлаждения с целью изменения структуры и свойств.

Шестерню будем изготовлять из стали 45X. После предварительной механической обработки, а именно, нарезания зубьев, шестерню необходимо закалить.

4.1 Закалка шестерни коробки передач

Закалкой называется операция термической обработки, состоящая в нагреве до температур выше критической точки А_с3 для доэвтектоидной стали и выдержке при данной температуре с последующим быстрым охлаждением (в воде, масле и т.д.)

В результате закалки сталь приобретает структуру мартенсита и благодаря этому делается очень твердой. Закалкой достигается повышения твердости, прочности и износостойкости детали.

Режимы закалки определяются скоростью и температурой нагрева, длительностью выдержки при этой температуре и особенно скоростью охлаждения. Для данной стали будем использовать закалку в одной среде.

Для доэвтектоидной стали 45X нагрев следует вести до температуры, лежащей на 30-50 °С выше точки А_{с3 =}782 °С, то есть примерно при температуре 840 °С. Отклонение по температуре для стали 45X (согласно ГОСТ 4543-71): ± 15 °С. В этом случае сталь имеет структуру однородного аустенита, который при последующем охлаждении со скоростью, превышающую критическую скорость закалки, превращается в мартенсит. Такая закалка называется полной.

Сечение детали 60 мм (по диаметру круга), нагрев при закалке углеродистой стали при этом сечении равен 48 минутам. С учетом того, что для легированной стали продолжительность на 25-30% больше имеем:

48 мин - 100%

x мин - 30%

x =

48+14 = 62 минуты нагрев

Время выдержки 15 минут при температуре 840°С

Правильный выбор закалочной среды имеет большое значение для успешного проведения термической обработки. Для закалки данной легированной стали будем использовать в качестве охлаждающей среды - трансформаторное масло при температуре 18°С. Хром уменьшает критическую скорость закалки. Скорость охлаждения менее 120 град/сек. Это и приводит к тому, что большая часть легированных сталей закаливаются на мартенсит в масле, то есть при меньшей скорости чем углеродистые. Относительная интенсивность охлаждения 0,17.

Сталь 45X как и любая другая легированная сталь обладает большей прокаливаемостью по сравнению с углеродистой. Хром, как легирующий элемент увеличивает количество остаточного аустенита в стали после закалки.

4.2 Отпуск стали

Отпуском называется операция термической обработки, состоящая в нагреве закаленной стали до температуры ниже критической точки А_с1, выдержки при этой температуре с последующим охлаждением.

Согласно ГОСТ 4543-71 для стали 45X применяется высокий отпуск. Его основное назначение - получить наибольшую вязкость при достаточных пределах прочности и упругости стали.

Согласно ГОСТ 4543-71 отпуск делается до температуры 520°С с целью получения структуры сорбита. Нагрев до такой температуры способствует распаду мартенсита и образованию структур троостита или сорбита. В практике термической обработки такая операция - закалка с высоким отпуском - получила название «термическое улучшение».

60 мин - нагрев для углеродистой стали с сечением 60 мм.

Для легированной стали на 30% продолжительность увеличивается, то есть:

60 мин - 100%

x мин - 30%

х =

60 + 18 = 78 минут нагрев

Выдержка: 23 минуты при температуре 520°С

Охлаждение: в трансформаторном масле при температуре 18°С.

От зуба шестерни требуется высокая износостойкость. Поэтому шестерню после окончательной шлифовки зубьев закаливают токами высокой частоты.

Закалка с индукционным нагревом происходит вследствие теплового действия тока, индуцируемого в изделии, помещенном в переменном магнитном поле. Деталь помещается в индуктор (охлаждаемой водой пустотелой трубки или шины) и переменный ток, протекая через индуктор, создает переменное магнитное поле. В результате явления индукции в поверхностном слое возникают вихревые токи и в слое обрабатываемого изделия происходит выделение джоулевого тепла. Глубина проникновения тока увеличивается с повышением температуры. Для данной закалки применяют большую удельную мощность до 2 кВт/см². Толщина слоя закалки зависит от частоты тока. Глубина закалки примерно равна глубине прогрева до температуры выше критической точки А_с3 , нижние слои нагреваются ниже температур критических точек и при охлаждении не упрочняются.

1. Выбираем частоту тока в зависимости от диаметра детали (60 мм) и требуемой глубины закалки (2,0 - 2,5 мм): 8000 Гц

2. Удельная мощность, необходимая для поверхностной закалки. Наименьшая - 0,5 кВт/см²: оптимальная 1,0 кВт/см²; максимальная - 1,3 кВт/см².

3. Время нагрева под закалку: 22с - радиочастота, 4,3 с - звуковая частота.

4. Расстояние между индуктором и деталью: 2, 0 - 3, 0 мм

5. Температура воды 20-30 °С

6. Давление воды в сети: 0,4 - 0,6 МПа

7. Скорость вращения деталей: 4,0….4,5 мм/с

Технические характеристики для закалки ТВЧ

1. Тип установки: Универсальный станок завода «Красный пролетарий»

2. Размеры детали: длина - 1500 мм, диаметр - 350, вес - 150 мм, вес -150

3. Способ охлаждения источника питания и детали: непрерывное, спреерное, водой.

4. Скорость хода детали: 0-30 мм

5. Скорость вращения детали: 25-100 мм

6. Источник питания: машинный генератор, 8 кГц

Охлаждающая среда - трансформаторное масло при температуре 18 °С, охлаждение при этом 120-150 °С/с, относительная интенсивность охлаждения 0,17 - 0,22.

Высокий отпуск при температуре 520°С, время выдержки и охлаждающая среда такие же как и при первичном отпуске.

5. Тип нагревательной печи и ее техническая характеристика. Методы механизации процессов термической обработки

Для термической обработки применяют оборудование, состоящее из нагревательных печей, закалочных устройств, приборов для контроля тепловых режимов, очистительных устройств, закалочных жидкостей.

Нагрев под закалку и отпуск можно произвести в электрической печи камерного типа. В такой печи нагреваемая деталь помещается в тоже пространство (камеру), через которое проходят горячие газы. Таким образом, нагрев детали в печи происходит путем непосредственного соприкосновения их с пламенем и горячими газами. С учетом того, что температура под закалку 840°С, то печь можно взять

с предельной рабочей температурой 1000°С. Модель печи: CH3-5,0.10.3,2/10. Ширина такой печи 500мм, длина 1000 мм, высота 320 мм.

В непосредственной близости от печи для нагрева под закалку располагаются закалочные устройства: закалочный бак, наполненный охлаждающей жидкостью (маслом) и травильный бак. Объем жидкости должен быть настолько большим, чтобы жидкость при закалке в ней не нагревалась. Для примерных подсчетов можно исходить из того, что на 1 кг закаливаемого сплава требуется 10-12 литров масла. Если размер бака невелик, то при частой закалке жидкость будет быстро нагреваться, что отрицательно скажется на результатах закалки. Для очистки применяется травильный бак, бак для промывки водой и нейтрализации.

В термической печи могут применяться термоэлектрические и оптические пирометры (для измерения температур до 1250°С). Термоэлектрические пирометры пользуются для измерения температуры почти при всех видах термической обработки. Для измерения температур свыше 600°С, когда раскаленный металл, температура которого измеряется начинает светиться, используют оптические пирометры.

Помимо перечисленных методов, при термической обработке используют приближенные способы, дающие ориентировочное значение температуры нагретого металла. К таким способам можно отнести определение температуры металла по цветам каления при нагреве под закалку, а также определение температуры металла при отпуске по цветам побежалости, появляющимся на поверхности изделия.

6. Состав веществ, предохраняющих металл от обезуглероживания и поверхностной термообработки

Для закалки изделие упаковывается в специальный ящик или трубу, которые затем наполняют песком, чугунной стружкой или древесным углем, чтобы предохранить поверхность изделия от обезуглероживания и окисления.

7. Контроль качества деталей после термообработки

1) Химический анализ стали проводят по ГОСТ 28473-90, ГОСТ 12344-88, ГОСТ 12345-88, ГОСТ 12346-78, ГОСТ 12347-77, ГОСТ 12348-78, ГОСТ 12349-83, ГОСТ 12350-78, ГОСТ 12351-81, ГОСТ 12352-81, ГОСТ 12354-81, ГОСТ 12355-78, ГОСТ 12356-81, ГОСТ 12357-84, ГОСТ 12359-81, ГОСТ 12360-82, ГОСТ 18895-81 или другими методами, по точности не уступающими стандартным. При возникновении разногласий химический анализ проводят стандартными методами.

2) Качество поверхности проверяют без применения увеличительных приборов. В случае необходимости проводят светление или травление поверхности, а для проката со специальной отделкой поверхности диаметром до 3 мм включительно осмотр проводят при увеличении до 10^х. Глубину залегания дефектов на поверхности проката определяют контрольной зачисткой или запиловкой.

3) От каждого отобранного для контроля прутка, полосы или мотка отбирают:

для испытания на растяжение (предел текучести, временное сопротивление, относительное удлинение, относительное сужение), осадку, определения глубины обезуглероженного слоя, величины зерна и прокаливаемости - по одному образцу;

для испытания на ударный изгиб - по одному образцу каждого типа;

для контроля макроструктуры - один темплет.

Отбор проб от мотков для всех видов испытаний производят на расстоянии не менее 1,5 витка от конца раската.

4) Отбор проб для механических испытаний проводят по ГОСТ 7564-73 (вариант 1).

5) Испытание на растяжение (предел текучести, временное сопротивление, относительное удлинение, относительное сужение) проводят по ГОСТ 1497-84 на круглых образцах пятикратной длины диаметром 5 или 10 мм.

6) Испытание на ударную вязкость при нормальной температуре проводят на образцах типа 1 и типа 11 по ГОСТ 9454-78, при температуре минус 60°С - на образцах типа 1 по ГОСТ 9454-78. Допускается проводить испытание на ударную вязкость на образцах типа 3 при толщине проката менее 10 мм. Допускается применять неразрушающие методы контроля по согласованной методике.

7) Глубину обезуглероженного слоя определяют методом М по ГОСТ 1763-68. По согласованию изготовителя с потребителем допускается определять степень обезуглероженности калиброванной стали методом Т по ГОСТ 1763-68.

8) Определение величины зерна проводят по ГОСТ 5639-82.

9) Определение твердости по Бринеллю проводят по ГОСТ 9012-59. Количество отпечатков - не менее трех.

10) Неметаллические включения определяют по ГОСТ 1778-70.

11) При обнаружении флокенов хотя бы в одном прутке весь металл данной партии не принимается.

12) При использовании предприятием-изготовителем статистических методов контроля твердости и механических свойств в соответствии с нормативно-технической документацией, утвержденной в установленном порядке, контроль твердости и механических свойств, предусмотренных настоящим стандартом, изготовителем допускается не проводить. Изготовитель гарантирует при этом соответствие выпускаемой продукции требованиям настоящего стандарта. В арбитражных случаях и при периодических проверках качества продукции применяются методы контроля, предусмотренные настоящим стандартом.

8. Охрана труда и техника безопасности при выполнении термической обработки

Оборудование в термических цехах должно располагаться в соответствии с общим направлением грузопотока. Расстояние между оборудованием и станками цеха должно быть не менее одного метра.

Рекомендуемое расстояние между оборудованием:

Для камерной печи расстояние в пределах 1,5 - 3 метров.

В термических цехах должно быть санитарно - техническое оборудование (вентиляторы, калориферы, пылеуловители). Вентиляторы низкого и среднего давления используются для отсоса дымовых газов загрязненного воздуха.

Для подачи воздуха к форсункам и горелкам печей применяют вентиляторы высокого давления. Для отсоса дымовых газов, масляных паров, паров солей, пыль от наждачных станков, пескоструйных и дробеструйных аппаратов применяется вытяжная вентиляция. Для отсоса паров - зонты над ваннами, отсос пыли через пылеуловители. Рабочему калильщику должен подаваться обдув холодным воздухом, создаваться водяные экраны для предохранения от теплового излучения печи. Если деталь весит больше 20 кг, должны быть предусмотрены подъемные приспособления. Рабочее место рабочего должно быть хорошо освещено, поверхность пола должна быть ровной и сухой.

Защитное заземление, зануление необходимо для устранения опасности поражения человека током при пробое на корпус.

На предприятиях и в цехах должны быть противопожарные посты, где находится противопожарный инвентарь, для предупреждения пожара - регулярно чистить трубопроводы от сажи, поддерживать в исправности газопровод, маслоохладительные системы и отвод циркулирующего масла.

Охрана здоровья трудящихся, обеспечение безопасности условий труда, предупреждение производственного травматизма - составляет одну из главных статей техники безопасности.

Работа у солярных, масляных ванн рекомендуется в спецодежде, рукавицах, очках. Детали загружать в ванны сухими и подогретыми, чтобы не вызывать выбрасывание солей из тигля, если что произошло - засыпать сухим песком. В цехе должна быть сигнализация: световая, звуковая, прибороуказательная. Для обслуживания печей должны быть предусмотрены устройства и приспособления.

Рабочее место термиста, контролера должно хорошо освещаться, поверхность пола должна быть ровной и сухой. Для оказания первой помощи в термоцехах должна быть аптечка и необходимые медикаменты.

Список используемой литературы

1. Кропивницкий Н.Н., А.М. Кучер и др. Технология металлов. М.-Л., Изд. «Машиностроение», 1964. - 504 с.

2. Альтман М.Б. и др. Алюминиевые сплавы: Справочное руководство - М.: Металлургия, 1972. - 552 с.

3. Лахтин Ю.М., Леонтьева В.П. Материаловедение - М.: Машиностроение, 1990.- 528 с.

4. Громыко А.Г. Металловедение и термическая обработка. Методические указания к курсовой работе для студентов высших учебных заведений.- Калининград: 1998.