Формирование структуры диффузионного слоя в стали

Размещено на http://www.allbest.ru/

81

Реферат

Квалификационная работа студента: 89 страниц, 7 листов А1, 31 рисунок, 12 таблиц и 20 источников литературы.

Объект исследования - исследование процессов формирования структуры диффузионного слоя в стали 20Х за счет воздействия при различных режимах ХТО и ХТЦО.

Цель работы. В промышленности наиболее широко процессы ХТО осуществляется применительно к низкоуглеродистой стали 20Х. Поэтому представляет практический интерес провести опытные исследования по разработке режимов диффузионного насыщения стали 20Х в условиях термоциклического воздействия, и разработки на этой базе технологии различных видов ХТЦО.

В ходе проведения исследований и выполнения магистерской роботы было исследовано влияние диффузионного насыщения стали 20Х в условиях термоциклического воздействия на структуру и свойства стали: проведен сравнительный анализ структуры и свойств стали 20Х после различных видов термической химико-термической и химико-термоциклической обработок (ХТЦО); разработана технология ХТЦО при различных температурах и количествах циклов. После проведения ХТЦО определена толщина диффузионного слоя и его микротвердость, а также распределение углерода по толщине насыщаемого слоя.

Работоспособность, зубчатое колесо, диффузионное насыщение, свойства, цементация, структура, микротвердость, глобулярный цементит.

Содержание

Введение

1. Постановка задачи исследования

1.1 Формулирование научно-технической проблемы

1.2 Определение объекта, предмета и целей исследования

1.3 Анализ состояния проблемы

1.4 Аналитический обзор литературы и патентов

2. Материал и методика исследования

2.1 Выбор материала, назначение и условия работы детали «зубчатое колесо»

2.1.1 Назначение и устройство работы детали «зубчатое колесо»

2.2 Обоснование выбора оборудования и методик исследования

2.2.1 Анализ химического состава

2.2.2 Определение микротведрости образцов

2.2.3 Термообработка образцов

3. Экспериментальные исследования

3.1 Сущность ХТО, достоинства и недостатки

3.2 Термоциклическая обработка

3.2.1 Сущность термоциклической обработки

3.2.2 Термоцилическая обработка как эффективный метод повышения конструктивной прочности сталей

3.3 Обоснование использования режимов термоциклирования при химико-термической обработке сталей

3.4 Изменение микроструктуры стали при различных режимах термической обработки

3.5 Определение распределения углерода по толщине насыщаемого слоя

3.6 Определение микротвердости образцов

4. Охрана труда

4.1 Общая характеристика проектируемого участка

4.2 Анализ потенциальных опасностей на производстве

4.3 Мероприятия по обеспечению безопасности труда

4.4 Требование к системе противопожарной защиты

4.5 Экологизация производства

5. Экономическая часть

5.1 Особенности определения экономической эффективности научно-исследовательских работ

5.2 Расчёт затрат на изготовление детали «зубчатое колесо»

Выводы

Список литературы

Введение

Прочность, надежность и долговечность деталей машин, предназначенных для работы в сложных условиях эксплуатации (подвергающихся воздействию циклических нагрузок, контактным напряжениям, интенсивному износу, воздействию агрессивных сред и т.п.) в значительной степени определяются физико-механическими свойствами рабочих поверхностей. Поэтому важную роль в технологии машиностроения играют процессы поверхностного упрочнения деталей, среди которых наиболее перспективным является метод химико-термической обработки (ХТО).

Применение способов ХТО материалов позволяет получить в поверхностном слое изделия практически слой любого состава и, следовательно, обеспечить комплекс необходимых физических, химических, механических и эксплуатационных свойств [6]. Несмотря на такие возможности, технология процессов ХТО имеет ряд существенных недостатков - большую продолжительность процессов диффузионного насыщения, необходимость дополнительных операций термической обработки для устранения нежелательных результатов предшествующей обработки, а часто, неполной реализации возможностей в достижении высокого комплекса свойств упрочняемых материалов. Кроме того, значительная разница между технологическим временем ХТО и других операций обработки не позволяет ввести ее в единый технологический поток изготовления изделий

Поэтому проблема интенсификации процессов ХТО материалов, в частности, процессов диффузионного насыщения сталей и повышения комплекса физико-механических и эксплуатационных свойств упрочняемых изделий относится к наиболее важным задачам практического металловедения и технологии ХТО.

Для решения этих задач, в начале 70-х годов, предложен новый метод технологии ХТО - метод химико-термоциклической обработки (ХТЦО) [10], сущность которого заключается в осуществлении процессов диффузионного насыщения в режиме термоциклического воздействия на материал, т.е. в условиях совмещенного воздействия режимов термоциклической обработки (ТЦО) и поверхностного диффузионного насыщения на формирование структурного состояния и свойств упрочняемых материалов.

ХТЦО материалов, являясь разновидностью поверхностного упрочнения и одновременно одной из разновидностей термопластической обработки, имеет два основных технологических направления в повышении качества, надежности и долговечности деталей машин. Первое связано с повышением прочности и вязкости разрушения металлических материалов за счет создания в них оптимальной фрагментарной структуры (измельчение зерна, субструктурное упрочнение) и снятия напряжений. Другое - с упрочнением поверхностных слоев изделий за счет рационального распределения насыщаемого элемента по слою при интенсификации диффузионных процессов насыщения.

В обоих случаях эффекту термоциклического воздействия способствуют гетерофазное структурное состояние материала, эффект фазовых превращений, генерация и релаксация внутренних напряжений. При этом, существенно расширяются возможности получения материалов с заданными свойствами.

Поэтому не менее важной задачей металловедения является задача изучения закономерностей влияния режимов термоциклического воздействия на процессы диффузионного насыщения, структурного состояния и физико-механических свойств металлов и решения большинства вопросов кинетики процессов диффузионного насыщения при термоциклировании, ряд которых изучены недостаточно, а иногда противоречиво [6].

Целью данной работы является возможность применения основ анализа процессов диффузионного насыщения материалов в условиях термоциклического воздействия и изучение механизма влияния режимов воздействия на процессы формирования структуры роста диффузионного слоя применительно к низкоуглеродистым сталям.

1. Постановка задачи исследования

1.1 Формулирование научно-технической проблемы

термоциклический сталь зубчатый колесо

Вопросы повышения надежности и долговечности деталей машин и конструкций, повышения их качества и эффективности работы, а также вопросы экономии металлов, борьбы с коррозией и износом относятся к числу первоочередных задач науки и техники. Решение этих задач прежде всего связано с необходимостью разработки и внедрения высокоэффективных методов повышения конструктивной прочности металлических материалов.

Прочность, надежность и долговечность деталей, предназначенных для работы в сложных условиях эксплуатации (подвергающихся воздействию циклических нагрузок, контактным напряжениям, интенсивному износу, воздействию агрессивных сред и т.п.) в значительной степени определяются физико-механическими свойствами рабочих поверхностей. В связи с этим важная роль в решении указанной проблемы принадлежит методам поверхностного упрочнения деталей, среди которых наиболее перспективным и распространенным является метод химико - термической обработки (ХТО).

Применение способов ХТО материалов позволяет получить в поверхностном слое изделия практически слой любого состава и, следовательно, обеспечить комплекс необходимых физических, химических, механических и эксплуатационных свойств. Несмотря на такие возможности, технология процессов ХТО имеет ряд существенных недостатков - большую продолжительность процессов диффузионного насыщения, необходимость дополнительных операций термической обработки для устранения нежелательных результатов предшествующей обработки, а часто, неполной реализации возможностей в достижении высокого комплекса свойств упрочняемых материалов.

Значительная разница между технологическим временем ХТО и других операций обработки не позволяет ввести ее в единый технологический поток изготовления изделий и препятствует ее полной автоматизации.

Поэтому основной задачей в области технологии ХТО является существенная интенсификация процессов диффузионного насыщения.

Кроме того, существующие технологические способы и режимы ХТО, не исчерпывают возможности достижения еще более высокого уровня конструкционной прочности материала. Следовательно, проблема разработки высокоэффективных и рациональных режимов ХТО и поиск оптимальных режимов направленного воздействия на структуру и свойства материала поверхностно упрочняемых деталей машин является актуальной проблемой материаловедения и представляет значительный народнохозяйственный интерес.

Одним из перспективных направлений решения поставленной проблемы является использование при ХТО режимов термоциклической обработки (ТЦО), которая является одним из наиболее эффективных методов воздействия на структуру и физико-механические свойства материалов.

Сущность нового метода -- химико-термоциклической обработки (ХТЦО) заключается в совместном осуществлении процессов диффузионного насыщения и термической обработки в режиме термоциклирования материала в интервале температур полиморфных превращений. При этом воздействие на материал многократных фазовых превращений приводит к аномальному протеканию диффузионных процессов в нем. Это явление, хотя и изучали многие исследователи, но их результаты и выводы не однозначны.

Поэтому представляет как научный, так и практический интерес исследование и разработка теории и практики метода ХТЦО и создание на этой базе высокоэффективной технологии различных видов диффузионного насыщения при поверхностном упрочнении деталей машин.

1.2 Определение объекта, предмета и целей исследования

Цель работы. В промышленности наиболее широко процессы ХТО осуществляется применительно к низкоуглеродистой стали 20Х. Поэтому представляет практический интерес провести опытные исследования по разработке режимов диффузионного насыщения стали 20Х в условиях термоциклического воздействия, и разработки на этой базе технологии различных видов ХТЦО.

Для достижения поставленной цели были поставлены следующие задачи:

1. Исследование влияния режима термоциклического воздействия на процесс диффузионного насыщения поверхностного слоя и закономерностей формирования структуры и роста диффузионного слоя стали 20Х.

2. Исследовано влияние режимов термоциклического воздействия на структурно-фазовое состояние стали.

3. Исследование закономерностей влияния режима термоциклического воздействия на физико - механические свойства стали.

Объект исследования - исследование процессов формирования структуры диффузионного слоя в стали 20Х за счет воздействия при различных режимах ХТО и ХТЦО.

Исследование распределения углерода по толщине диффузионного слоя, изменения микротвердости в диффузионном слое, анализ фазового состава.

1.3 Анализ состояния проблемы

Как уже отмечалось, современная технология процесса ХТО показывает, что, несмотря на эффективность использования этих процессов для поверхностного упрочнения различных сталей, их технология имеет существенный недостаток - большую продолжительность процесса насыщения. Кроме того, существующие способы ХТО не исчерпывают возможности достижения еще более высокого уровня физико-механических и эксплуатационных свойств упрочняемых сталей. Исследования авторов Федюкина В.К и Лахтина Ю.М убедительно доказали, что получение только высокой поверхностной твердости и прочности металла еще не обеспечивает повышение надежности и долговечности изделий. Упрочняемые материалы часто оказываются малонадежными из-за недостаточней вязкости и малого сопротивления динамическим нагрузкам. Поэтому, в настоящее время актуальными задачами металловедения являются разработка высокоэффективных способов интенсификации процессов диффузионного насыщения и поиск оптимальных режимов направленного воздействия на структуру и свойства упрочняемых сталей.

При анализе условий интенсификации диффузионных процессов насыщения при ХТО установлено [7,18], что основная задача заключается в том, чтобы получить такое структурное строение стали, которое способствовало бы ее максимальной диффузионной восприимчивости. Учитывая, что любые нарушения правильности кристаллического строения стали, изменения структурного строения поверхностей раздела и воздействие внутренних и внешних напряжений существенно влияет на кинетику диффузионных процессов, представляется перспективным использовать в процессе диффузионного насыщения режимы термоциклического воздействия (режимы ТЦО).

В работе Федюкина В.К. показано, что метод ТЦО является одним из наиболее эффективных способов воздействия на структуру и физико-механические свойства металлов и сплавов. Этим методом можно существенно повысить такие свойства, как прочность, усталость, пластичность, вязкость, износостойкость и т.д., а также, что особо важно, воздействие многократных фазовых превращений приводит к ускорению диффузионных процессов в стали.

Поэтому представляет как научный, так и практический интерес исследовать возможности использования режимов ТЦО в процессах диффузионного насыщения и упрочнения стали 20Х при ХТО. В связи с изложенным в работе необходимо решить следующие основные задачи:

1. Исследовать влияние режима термоциклического воздействия на процесс диффузионного насыщения и установить закономерности формирования структуры и кинетики роста диффузионного слоя упрочняемой стали 20Х.

3. Установить закономерности влияния режима термоциклического воздействия на структуру и физико-механические свойства стали и зависимости, описывающие связь между параметрами структуры и свойствами сталей.

4. Установить условия оптимизации параметров режима термоциклического воздействия на материал для решения различных технологических задач, в том числе, интенсификации процессов насыщения и регулирования свойств обрабатываемых материалов.

5. Разработать технологию ХТЦО конструкционной стали 20Х для проведения цементации и технологические рекомендации по внедрению ее в производство. Рассмотреть перспективы развития метода ХТЦО материалов.

1.4 Аналитический обзор литературы и патентов

Краткое содержание исследованных патентов:

₍₁₉₎SU₍₁₁₎ 1266882 А1

(51) 4 С 21 D 1/78

Описание изобретения к авторскому свидетельству:

(21) 3757191/22-02

(22) 21.06.84

(46) 30.10.86. Бюл. № 40

(72) В.К.Федюкин и В.Н.Куприн

(53) 621.785.79 (088.8)

(56) Патент ПНР № 80930,кл. С 21 D 1/78, опублик. 1976, Федюкин В.К.Метод термоциклической обработки металлов. Л.: Изд-во Ленинградского университета, 1984, с. 100.

(54) Способ термоциклической обработки сталей.

Формула изобретениия:

1.Способ термической обработки сталей, включающий термоциклирование путем нагрева и охлаждения относительно течки Аси отпуск, отличающийся тем, что, с целью увеличения усталостной прочности, нагрев ведут до температур на 80- 100°С выше точки Ас₃ со скоростью 30-50°С/с.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что отпуск проводят при 420-450°С в течение 1-5 мин.

₍₁₉₎SU₍₁₁₎ 1342929 A1

(51) 4 С 21 D 1/78

Описание изобретения к авторскому сведетельству:

(21) 4031461/31-02

(22) 26.02.86

(46) 07.10.87. Бюл. № 37 (72) Ю.А.Башнин, Л.А.Лисицкая, С.В.Семенов, А.В.Пожарский, Л.П.Французова и Л.М.Семенова

(53) 621.78-977 (088.8)

(56) Авторское свидетельство СССР № 440424, кл. С 21 D 1/00, 1971.

(57) Авторское свидетельство СССР № 459518, кл. С 21 D 1/00, 1971.

Термоциклическая обработка металлических материалов. - Сборник тезисов конференции. Л.: Наука, 1980, с. 20-22.

(54) Способ термоциклической обработки сталей.

Формула изобретениия:

Способ термоциклической обработки сталей, включающий преимущественно четырехкратный нагрев до температуры Ас₃(+30...50) °С с последующим двухстадийным охлаждением до температуры Аr₁(-10...30)°С со скоростью на второй стадии 100...150°С/мин, отличающийся тем, что, с целью повышения ударной вязкости при сохранении прочностных свойств, охлаждение на первой стадии каждого цикла ведут до температуры Аr₁ (+50... 60)°С со скоростью 3...5°С/мин

Таблица 1.1 - Результаты испытаний.

Пример	Марка стали	Верхняя температура циклирования,?С	Первая стадия охлаждения	Вторая стадия охл-ния	Число циклов	Количество феррита, %	Механические свойства
							Ударная вязкость, Дж/см2	Временное сопротивление,МПа	Предел текучести , МПа	Относи-тельное
			Со скоростью,?С/мин	До температуры ?С	Со скоростью, ?С/мин	До температуры ?С						Удлинение, %	Сужение %
1.	20Х	870	3	750	100	670	4	68	358	561	394	30	63
2.	20Х	880	5	755	120	680	4	66	350	560	386	28	77
3.	20Х	890	1,5	760	150	690	4	68	340	530	382	26	72
4.	20Х	860	7	740	80	660	4	30	290	520	360	27	74
5.	20Х	900	1,5	770	175	700	4	40	300	510	363	26	75

Как видно из таблицы, предлагаемый способ упрочения стальных изделий по сравнению с известным позволяет повысить ударную вязкость изделия в 2 раза при сохранении их прочностных свойств, что способствует устранению поломок изделий в процессе эксплуатации, повышению их надежности и долговечности.

- ₍₁₉₎ SU ₍₁₁₎ 1291610 A1

(51) 4 C 21 В 1/78

Описание изобретения к авторскому свидетельству:

(21) 3902976/22-02

(22) 08.04.85

(46) 23.02.87. Бюл. № 7

(71) Брянский завод ирригационных машин

(72) В.В.Симочкин

(53) 621.785.79 (088.8)

(56) Федюкин В.К. Метод термоциклической обработки металлов. Л.: 1984, с. 160. (54) Способ термоциклической обработки железоуглеродистых сплавов.

Формула изобретениия:

Способ термической обработки железоуглеродистых сплавов, преимущественно стали, включающий нагрев до температуры Ас₃+(100-200)° С выдержку, охлаждение до температуры Аr₁-(30-80)°С, термоциклирование с нагревом и охлаждением относительно точки Аr₁ на 30-50°С, отличающийся тем, что, с целью повышения пластических свойств, охлаждение после выдержки до температуры, лежащей между температурой наименьшей теплопроводности стали и Аr₃ ведут со скоростью не более 4°С/мин.

Таблица 1.2 - Результаты испытаний.

Механические свойства стали	Марка стали	Вид термической обработки
		известному	предлогаемому
Предел прочности ув,Мпа	25Л 45	530 685	480 635
Предел текучести ут, Мпа	25Л 45	340 490	315 420
Твердость,НВ	25Л 45	149 207	149 187
Относительное удлинение,д%	25Л 45	21,5 14,5	29,5 22,5
Относительное сужение,ц %	25Л 45	45,5 44,0	61,0 55,5
Ударная вязкость ан, кгс/см2	25Л 45	160 105	21,0 13,5

- ₍₁₉₎SU₍₁₁₎ 1447885 А1

(51) 4 С21 D 1/78

Описание изобретения к авторскому свидетельству:

(21) 4242565/31-02

(22) 15.05.87

(46) 30.12.88. Бил. № 48

(71) Харьковский автомобильно-дорожный институт им. Комсомола Украины.

(72) Л.Д.Мищенко, Л.П.Рубашко, В.П.Тарабанова, В.М.Хабочев и С.С.Дьяченко

(53) 621.785.79 (088.8)

(56) Авторское свидетельство СССР № 933740, кл. С 21 D 1/26, 1980.

Авторское свидетельство СССР № 937524, кл. С 21 D 1/26, 1980.

(54) Способ термоциклической обработки отливок.

Формула изобретения:

Способ термической обработки отливок преимущественно из конструкционной малоуглеродистой стали, включающий многократный нагрев и охлаждение до заданных температур, выдержки при этих температурах, окончательное охлаждение на спокойном воздухе, высокий отпуск, отличающийся тем, что, с целью улучшения качества путем выравнивания химического состава по сечению отливок, повышения прочности и ударной вязкости, а также снижения температуры перехода в хрупкое состояние в сочетании с высокой пластичностью стали, нагрев проводят до температуры Ас₃ + (130 ...150) °С, охлаждение - до Аr₁ + (30...70) °С, а выдержки при этих температурах осуществляют в течение 1,0- 1,5 ч.

(11) 648623

(21) 2515853/22-02

(22) 08,08.77; 2 (51) С 21 D 1/78; С 23 С 17/00 (53) 621 .785.5 (72) В. В. Симочкин (71) Брянский завод ирригационных машин.

(54) Способ обработки стальных изделий, включающий цементацию, азотирование, нагрев под закалку, закалку и низкий отпуск, отличающийся тем, что, с целью повышения пластичности и ударной вязкости, перед нагревом под закалку проводят многократную термоциклическую обработку в интервале температур на 30-50° С выше Ас₁ и на 30-50° С ниже Ar₁.

907075

(21) 2929772/22-02.

23.05.80 3 (51) С 21 D 1/78;

С 23 С (53) 621.785.79 (72) С. Ф. Забелин, Тихонов, Ю. Н. Гапонов (71) Институт металлургии им. Байкова.

(57) 1. Способ обработки стальных изделий, включающий цементацию, азотирование, термоциклирование, нагрев под закалку, закалку и отпуск, отличающийся тем, что, с целью сокращения длительности, обработки, повышения ударной вязкости и усталостной прочности и уменьшения коробления, проводят дополнительное термоциклирование в интервале фазовых превращений перед цементацией, в процессе цементации и азотирования, при этом весь процесс ведут с одного нагрева.

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что термоциклирование перед цементацией проводят в интервале температур на 30--50 °С выше Ас₁ и на 30-- 50 °С ниже Ar₁ с числом циклов обработки 4--7.

3. Способ по пп. 1 и 2, отличающийся тем, что в процессе цементации термоциклирования проводят в интервале температур на 80--100 °С выше Ас₃ и на 30--50 °С ниже Ar₁ с числом циклов, обработки 4--8.

4. Способ по пп. 1--3, отличающийся тем, что в процессе азотирования термоциклирование проводят в интервале температур на 50--70 °С выше Ac₁ и на 30--50 °С ниже Ar₁ с числом циклов обработки 4--8.

5. Способ по пп. 1--4, отличающийся тем, что перед нагревом под закалку проводят первые 2--3 цикла в интервале температур на 50--70 °С выше Ас₃ и на 30--50 °С ниже Ar₁, а последующие 2--4 цикла -- в интервале температур на 60--70 °С выше Ас₁ и на 30--50 °С ниже Ar_1.

₍₁₉₎SU₍₁₁₎ 1020456 A1

3(51) С 23 С 9/06

Описание изобретения к авторському свидетельству:

(21) 3381438/22-02

(22) 11.01.82

(46) 30.05.83. Бюл. № 20

(72) О.С. Буренкова, Л.В. Костылева, Л.М. Семенова, В.И. Тельдеков, А.В. Пожарский, И.В. Дергунов и И.П. Павлов

(53) 621.785.5(088.8)

(56) 1. Ян Корецкий. Цементация стали. Л., 1962, с. 29.

2. Патент СССР № 679154, кл. С 23 С 9/00, 1979.

(54) (57) Способ цементации стальных деталей, включающий диффузионное насыщение в процессе термоциклирования, отличающийся тем что, с целью повышения твердости поверхности путем формирования дисперсных карбидов округлой формы, термоциклирование производят в интервале температур на 120-140°С и 10-20°С выше Ас₃.

Цель изобретения - повышение твердости поверхности путем формирования дисперсных карбидов округлой формы.

Выводы:

1. Одним из перспективных направлений решения поставленной проблемы является использование при ХТО режимов термоциклической обработки (ТЦО), которая является одним из наиболее эффективных методов воздействия на структуру и физико-механические свойства материалов.

2. Целью работы является проведение опытных исследований по разработке режимов диффузионного насыщения стали 20Х в условиях термоциклического воздействия, и разработка на этой базе технологии различных видов ХТЦО.

3. Объектом исследования является изучение процессов формирования структуры диффузионного слоя в стали 20Х за счет воздействия при различных режимах ХТО и ХТЦО. Исследование распределения углерода по толщине диффузионного слоя, изменения микротвердости в диффузионном слое, анализ фазового состава.

4. В ходе работы были рассмотрены и исследованы следующие патенты: №907075, №1020456, 1342929, 1291610, 1266882, 1447885, 648623, 840152.

2. Материал и методика исследования

2.1 Выбор материала, назначение и условия работы детали «зубчатое колесо»

Все исследования в данной работе проведены на примере процесса цементации конструкционной стали 20Х (табл.2.1). Данная сталь и процесс термообработки имеют наиболее широкое применение в различных отраслях машиностроения. Сталь для исследования относится к низкоуглеродистым и малолегированным конструкционным сталям со слабоупрочняемой сердцевиной изделия.

Назначение стали 20Х:

Втулки, шестерни, обоймы, гильзы, диски, плунжеры, рычаги и другие цементируемые детали, к которым предъявляется требование высокой поверхностной твердости при невысокой прочности сердцевины, детали, работающие в условиях износа при трении.

Для получения насыщающей среды при цементации сталей использовали как твердый карбюризатор, состоящий из смеси 90% технического углерода марки ДТ-100 (ГОСТ 2885-77) и 10% соды, так и газовую смесь, состоящую из 98% природного газа (СН₄) и небольшого количества влаги, кислорода и углекислого газа.

Таблица 2.1 - Химический состав исследованной стали.

Марка стали	Содержание элементов, %
	С	Si	Mn	Cr	Ni	S и P
20Х	0,17-0,23	0,17-0,37	0,50-0,80	0,70-1,00	0,35	0,035, 0,08

Таблица 2.2 - Механические свойства стали 20Х после различных режимов.

ГОСТ	Состояние поставки, Режим обработки	Сечение, мм	у0,2, МПа	ув, МПа	д5,%	Ш,%	KCU, Дж/см2	Твердость Не более
			Не менее
	Пруток. Цементация при 920-950?С, охл.на воздухе; закалка с 800?С в масле; от пуск при 180?С, охл. на воздухе.	60	390	640	13	40	49	НВ 250; HRC 55-63

Таблица 2.3 - Механические свойства поковок.

Термообработка	Сечение,мм	КП	у0,2, МПа	ув, МПа	д5,%	Ш,%	KCU, Дж/см2	Тв-сть Не более
			Не менее
Нормализация	До 100	195	195	390	26	55	59	111-156
Закалка + отпуск	До 100	275	275	530	20	40	44	156-197

Для улучшения физических, химических, прочностных и технологических свойств стали легируют, вводя в их состав различные легирующие элементы (хром, марганец, никель и др.). Легированные стали могут содержать один или несколько легирующих элементов, которые придают им специальные свойства. Легирующие элементы вводят в сталь для повышения ее конструкционной прочности. Основной структурной составляющей в конструкционной стали является феррит, занимающий в структуре не менее 90% по объему.

Растворяясь в феррите, легирующие элементы упрочняют его. Главное назначение легирования: повышение прочности стали без применения термической обработки путем упрочнения феррита, растворением в нем легирующих элементов; повышение твердости, прочности и ударной вязкости в результате увеличения устойчивости аустенит и тем самым увеличения прокаливаемости; придание стали специальных свойств, из которых для сталей, идущих на изготовление зубчатых колес, шестерен, турбин и вспомогательного, особое значение имеют жаропрочность и коррозионная стойкость. Критические точки легированных сталей смещаются в зависимости от того, какие легирующие элементы и в каких количествах присутствуют в ней. Поэтому при выборе температур под закалку, нормализацию и отжиг или отпуск необходимо учитывать смещение критических точек.

Хром - сравнительно дешевый элемент и широко используется для легирования стали, и растворяется в феррите и цементите, оказывает благоприятное влияние на механические свойства. В таких количествах хром повышает прокаливаемость, твердость, предел прочности, коррозионную стойкость;снижает порог хладноломноксти до 0…-100 є С;незначительно уменьшает характеристики пластичности стали.

2.1.1 Назначение и устройство работы детали «зубчатое колесо»

Для обеспечения исполнительным органом станков разных скоростей движения имеется механизм, позволяющий изменять величины скоростей при передаче движения - это подвижный блок зубчатых колёс, расположенных в коробке передач, позволяющий придавать суппорту с резцами разные скорости перемещения вдоль шпинделя, обеспечивая продольную подачу.

По конструкции данное зубчатое колесо (рис. 2.1) представляет собой полый цилиндр. Снаружи расположены зубья, через которые передаётся вращательное движение от ведущего зубчатого колеса. По внутреннему диаметру данного зубчатого колеса выполнены шлицы для передачи крутящего момента. В процессе работы зубчатое колесо испытывает статические, динамические, знакопеременные и вибрационные нагрузки. Деталь работает в масляной среде с рабочей температурой до 300С.

Основное предназначение токарных станков заключается в обработке тел вращения посредством точения, и снятия при этом с них стружки, это и есть токарная обработка.

В процессе резания на токарном станке заготовка, которая закрепляется в центрах или в зажимном патроне, вращается за счет привода главного движения. Он способен как ступенчато, так и бесступенчато регулировать частоту, с которой вращается шпиндель, чтобы настроиться на необходимую для резания скорость.

Рисунок 2.1 - Чертеж детали «зубчатое колесо».

Главный привод станка рис 2.2. В передней бабке размещены коробка скоростей и шпиндель, которые приводят во вращение обрабатываемую деталь при выбранных глубине резания и подаче. На рисунке показано устройство коробки скоростей, которая работает следующим образом.



Рисунок 2.2 - Главный привод станка.

Заготовка зажимается в кулачковом патроне, который крепится к фланцу шпинделя 13. Вращение от электродвигателя 1 через ременную передачу 2 и муфту включения 3 передается на вал 5.Блок из трех шестерен 7, 8 и 9, расположенный на валу 5, с помощью реечной передачи связан с рукояткой 17. Этой рукояткой блок шестерен вводится в зацепление с зубчатым колесом 4 (или 10, или 11), жестко закрепленным на валу 6. Колеса 4 и 12 сопряжены соответственно с колесами 15 и 16, которые передают крутящий момент шпинделю через зубчатую муфту 14, соединенную с рукояткой 18. Если муфта передвинута вправо, то шпиндель получает вращение через зубчатое колесо 16, а если влево - через зубчатое колесо 15. Таким образом, коробка скоростей обеспечивает шесть ступеней частоты вращения шпинделя.

Механизм подач. Связь шпинделя и суппорта станка для обеспечения оптимального режима резания осуществляется с помощью механизма подач, состоящего из реверсирующего устройства (трензеля) и гитары, которые осуществляют изменение направления и скорости перемещения суппорта.



Рисунок 2.3 - Схема трензеля.

Привод этого механизма осуществляется от коробки скоростей через трензель (рис.2.3), который состоит из четырех зубчатых колес а, б, в, г, связанных с рукояткой 19, переключением которой осуществляется реверс (т. е. изменение направления вращения) вала 20 (приводного вала суппорта). Позиции а, б, в, г, 19 и 20 (см. рисунки). При крайнем нижнем положении рукоятки 19 (положение А) зубчатые колеса а, б, в, г соединены последовательно и направление вращения вала 20 совпадает с направлением вращения шпинделя.

При верхнем положении рукоятки 19 (положение В) соединены только зубчатые колеса а, в, г и направление вращения вала 20 изменяется на противоположное. В среднем положении рукоятки 19 (положение Б) зубчатые колеса б и в не соединяются с зубчатым колесом а и вал 20 не вращается.

Зубчатое колесо служит для передачи или преобразования движения с изменением угловых скоростей и моментов с помощью зубчатого зацепления. Отказ или разрушение зубчатого колеса влечёт за собой прекращение передачи крутящего момента и отказ двигательных агрегатов. Наиболее загруженной частью зубчатого колеса является зуб. На рисунке 2.4. показана схема зацепления зубьев.



Рисунок 2.4 - Схема зацепления зубьев.

Критериями работоспособного состояния зубчатых передач являются: поверхностная прочность зубьев (сопротивление контактной усталости), объемная изгибная прочность зубьев (сопротивление усталости и статическая прочность), стойкость против заедания, износостойкость прочности зубьев и к их поломке.

2.2 Обоснование выбора оборудования и методик исследования

2.2.1 Анализ химического состава

Хим. анализ стали 20Х определялся (табл.2.4) с помощью установки «Спектромакс».

Рисунок 2.5 - Общий вид устройства «Спектромакс».

Химический состав определялся по трем результатам анализа стали 20Х. В табл.2.4 приведены средние значения содержания основных элементов. До 25ти элементов

Таблица 2.4 - Химический состав стали 20Х (исходное состояние)

- х	С % 0,176	Si % 0,292	Mn % 0,62	S % 0,011	P % 0,016	Cr % 0,78	Ni % 0,271	Mo % 0,065
- х	Nb % <0,003	V % 0,016	W % <0,010	Pb % 0,0059	B % 0,0017	Sn % 0,0089	Zn % <0,0020	As % 0,019
- х	Al % 0,038	Cu % 0,173	Co % 0,074	Ti % 0,0022	Bi % 0,0021	Ca % 0,0004	Ce % 0,012	Zn % 0,011

2.2.2 Определение микротведрости образцов

В ходе работы получила изменение фазового состава и соответственно изменение микротвердости.

Для определения микротвердости применяем прибор марки ПМТ-3 (рис2.6, а). На чугунном основании закреплена колонна 3 с резьбой, а на ней -- кронштейн с микроскопом и нагружающим устройством. Для установки кронштейна на требуемой высоте служат гайка 4 и стопорный винт. Микроскоп состоит из тубуса 8, окуляр-микрометра 7, сменного объектива 10 (40- или 8-кратного) и осветительного устройства 9. Для грубой наводки на резкость микроскоп можно перемещать по высоте относительно кронштейна винтом 6, связанным с реечным устройством. Прежде чем вращать винт 6, необходимо ослабить винт, расположенный на правой части кронштейна. Для тонкой наводки на резкость микроскоп перемещают в вертикальном направлении вращением микрометрического винта 5. К нижней части тубуса микроскопа прикреплен механизм нагружения 14.

На рис. 2.6, б показана его схема. Грузики в виде дисков с прорезями надевают на стержень 17, в нижнем конце которого крепится оправка с алмазным индентором 16. Стержень подвешен к кронштейну на двух плоских пружинах 20 и 21. При повороте рукоятки 18 на себя стержень 17 освобождается и перемещается под действием грузов вниз, вдавливая индентор в поверхность образца. На основании прибора установлен предметный столик 11, который может перемещаться в двух взаимно перпендикулярных направлениях при помощи микрометрических винтов 12 и 13. Кроме того, столик можно поворачивать рукояткой 2 вокруг своей оси на 180°. Для нанесения отпечатка испытуемый образец устанавливают под микроскопом и выбирают на нем место, в котором необходимо измерить микротвердость. Затем перемещают образец так, чтобы выбранное место оказалось под острием алмазной пирамиды.

После вдавливания индентора и снятия нагрузки с образца последний вновь переводят под микроскоп и измеряют длину диагонали отпечатка.

Рисунок 2.6 - Микротвердомер ПМТ-3: а - общий вид; б - схема механизма нагружения; 1 - чугунное основание; 2 - рукоятка для поворота столика вокруг своей оси на 180°; 3 - колонна с резьбой для установки кронштейна с микроскопом; 4 - гайка для установки кронштейна на требуемой высоте; 5, 13 и 14 - микрометрические винты; 6 - винт, связанный с реечным устройством; 7-окулярмикрометр; 8 - тубус; 9 - осветительное устройство; 10 - винты центрирующего устройства для перемещения объектива в горизонтальной плоскости; 11 - сменный объектив; 12 - предметный столик; 15 - механизм нагружения; 16 - алмазный индектор; 17 - стержень; 18 - рукоятка для освобождения стержня и перемещения его под действием грузов вниз и вдавливания индектора в поверхность образца; 19 к 20 - плоские пружины.

Для обеспечения точного замера микротвердости прибор должен быть тщательно юстирован. Задача юстировки -- точное совмещение оптической оси с осью нагружения при повороте предметного столика на 180°.

Иными словами, необходимо добиться, чтобы отпечаток наносился именно на том месте, которое было выбрано под микроскопом. Центрирующее устройство, позволяющее перемещать объектив в горизонтальной плоскости, приводится в действие винтами 10 (см. рис.2.6 ,а).

Схема центровки приведена на рис. 2.7. Сначала устанавливают перекрытие нитей окуляр-микрометра точно в центре поля зрения микроскопа.

Для этого перемещающийся при вращении барабанчика окуляр-микрометра сдвоенный штрих должен находиться, против цифры 4 неподвижной шкалы окуляра, а нуль шкалы барабанчика -- точно против риски. Затем перемещением предметного столика со шлифом подводят под перекрестие, выбранное для испытания место (см. рис. 2.7, а) и наносят отпечаток. Но если прибор не отцентрован, отпечаток получится в стороне от перекрестия (см. рис. 2.7, б). Центровочными винтами 15 (см. рис. 2.6, а) перемещают перекрестие до тех пор, пока оно не совпадет с центром получившегося отпечатка (см. рис 2.7, б). Затем опять перемещают столик (микрометрическими винтами) так, чтобы перекрестие пришлось на то место, где нужно сделать отпечаток (см. рис. 2.7, г). Вновь сделанный отпечаток должен быть сделан точно в заданном месте (см. рис. 2.7, д). Если этого не произойдет, все операции повторяют сначала. Операции центровки часто приходится выполнять и в процессе работы, после предварительной настройки прибора.

Вторая задача юстировки -- правильная установка по высоте механизма нагружения. При этом острие алмаза (см. рис. 2.6, б) должно касаться поверхности образца, а микроскоп сфокусирован на эту поверхность.

Юстировка по высоте осуществляется гайкой 19. Необходимо добиться такого положения, чтобы без нагрузки на поверхности шлифа из какого-нибудь мягкого металла (например, алюминия или олова) не появлялось ток.

Юстировку по высоте можно проводить на эталоне с точно известной твердостью (например, на кристалле NaCl). Поднимая или опуская нагружающий механизм, необходимо добиться получения отпечатка с такой диагональю, которая бы соответствовала микротвердости эталона.

Рисунок 2.7 - Схема центровки прибора ПМТ-3.

HV = 1,854 P/ d²; (2.1)

где Р - нагрузка, кгс;

d - диагональ отпечатка;

d²/1,854 - площадь боковой поверхности полученного пирамидального отпечатка, мм².

При измерении микротвердости расстояние между центрами соседних отпечатков должно быть не менее двух длин диагонали большего отпечатка. Таким же должно быть расстояние от центра отпечатка до края образца, длина диагонали отпечатка -- не более полуторной толщины образца.

Для определения числа микротвердости по длине диагонали при разных нагрузках F существуют специальные таблицы и номограммы.



Рисунок 2.8 - Зависимость чисел твердости от нагрузки.

Для определения нагрузки проводился анализ изменения микротвердости в зависимости от загрузки. Метод выбор нагрузки - момент выхода на горизонталь величины микротвердости соответствует оптимальному режиму травления или используемой нагрузки (рис.2.8).

2.2.3 Термообработка образцов

Термообработка проводилась в лабораторной электрической печи

ПЭ - 0,025/1260.

Назначение.

1. Печь электрическая ПЭ - 0,025/1260(03/М1) (в дальнейшем по тексту - печь) предназначена для термообработки углеродистых сталей при температуре до 1260° С в окислительной (воздушной) среде.

2. Класс печи по способу защиты человека от поражения электрическим током -- "I", ГОСТ 12.2.007.0 - 75.

3. Структура условного обозначения печи: ПЭ - 0,025/1260(03/М1) П - печь;

Э - электрическая;

0,025 - полезный объем рабочей камеры, м³;

1260 - максимальная температура нагрева,⁰ С;

03 - номер исполнения печи;

М1 - тип установленного в печи терморегулятора.

4. Печь должна подключаться к электрической сети 220 В, 50 Гц при помощи трехполюсного соединителя с заземляющим контактом.

5. Печь выпускается в климатическом исполнении УХЛ 4 по ГОСТ15150 - 69. 6 Печь не предназначена для эксплуатации во взрыво- и пожароопасных производствах.

Основные параметры печи приведены в табл. 2.5.

Таблица 2.5 - Техническая характеристика

Наименование параметра	Норма
1. Полезный объем рабочей камеры, м3	0,025 - 0,003
2. Максимальная температура нагрева,0 С	1260
3. Потребляемая мощность, кВт	2,5 ±0,3
4. Параметры питающей сети: - Напряжение, В - Частота, Гц	220 50
5. Размеры рабочей камеры, мм, не менее - Длина - Ширина - Высота	300 200 380
6. Габаритные размеры печи, мм, не более - Длина - Ширина - Высота	735 735 855
7. Масса печи, кг, не более*	110

Принцип работы печи.

1. Задаваемым параметром обжига является максимальная температура нагрева. При включении тумблера "НАГРЕВ" к нагревателю подводится напряжение и осуществляется разогрев садки в печи до установленного значения температуры. В дальнейшем печь переходит в режим автоматического поддержания этого значения. Нагрев изделий в печи производится в окислительной (воздушной) среде. Источником нагрева является спиральный электронагреватель.Схема управления позволяет осуществить подъем температуры до единственно заданного значения с предварительно установленной скоростью нагрева. В далее эта температура поддерживается постоянной до выключения печи.. Конфигурация и ввод всех необходимых параметров прибора произведены изготовителем печи, а также установлено значение максимальной аварийной температуры в печи, которая составляет 1265°С. При достижении в печи максимальной аварийной температуры, а также при обрыве термопары произойдёт отключение нагревателей от сети магнитным пускателем.

Рисунок 2.9 - Общее расположение узлов и деталей электрической печи - 0,025/1260.

Выводы:

1. Все исследования в данной работе проведены на примере процесса цементации конструкционной стали 20Х для детали «колесо зубчатое», которая является часть привода подачи токарного станка.

2. Оборудование для проведение исследования выбералось следующее:

- Хим. анализ стали 20Х определялся с помощью установки «Спектромакс».

- Для определения микротвердости был применен прибор марки ПМТ-3.

- Термообработка проводилась в лабораторной электрической печи ПЭ - 0,025/1260.

3. Экспериментальные исследования

3.1 Сущность ХТО, достоинства и недостатки

Сущность любого процесса ХТО заключается в сочетании термического и химического воздействия на металл с целью изменения состава, структуры и свойств в поверхностных слоях, а иногда по всему объему изделия. При этом, технология процесса ХТО сталей включает: диффузионное насыщение поверхности металла соответствующим элементом (С, N, В, Сг, А1, Si и др.) путем его диффузии из внешней активной среды (твердой, жидкой, газовой, паровой) при высокой температуре и операций термической обработки, необходимые для достижения требуемого комплекса эксплуатационных свойств сталей.

Цементация стали, разновидность химико-термической обработки (ХТО), заключающаяся в диффузионном насыщении поверхностного слоя изделий из низкоуглеродистой стали (0,1-0,2% С) углеродом при нагреве в соответствующей среде. Цель цементации ? повышение твёрдости и износостойкости поверхности, что достигается обогащением поверхностного слоя углеродом (до 0,8?1,2%) и последующей закалкой с низким отпуском, при этом сердцевина изделия, не насыщаемая углеродом, сохраняет высокую вязкость. Глубина цементованного слоя 0,5?1,5 мм (реже больше); концентрация углерода в слое убывает от поверхности к сердцевине изделия. Цементация и последующая термическая обработка повышают предел выносливости металла и понижают чувствительность его к концентраторам напряжения.

Прокаливаемость сердцевины должна регулироваться в весьма узком диапазоне твердостей, который составляет 30-43 HRC. Учитывая длительность процесса цементации и высокую температуру процесса, рекомендуется при этом виде химико-термической обработки использовать наследственно мелкозернистые стали, размер зерна которых не должен превышать 6-8 баллов. В противном случае в ходе цементации отмечается значительный рост зерна сердцевины изделия, что приводит к снижению его эксплуатационных свойств.

Цементация производится в углеродонасыщенных твердых, жидких или газообразных средах, называемых карбюризаторами.

При твердофазной цементации процесс ведут следующим образом. Цементуемые детали упаковываются в цементационные ящики, заполненные карбюризатором, таким образом, чтобы их объем, в зависимости от сложности конструкции детали, занимал от 15 до 30 % объема цементационного ящика. Ящики загружают в печь, нагретую до температур от 600-700 °С и нагревают до температуры цементации -- 930-950 °С. По окончании процесса цементации ящики вынимаются из печи -- охлаждение деталей ведется внутри цементационных ящиков на воздухе. К числу недостатков цементации в твердых карбюризаторах относятся: невозможность регулирования степени насыщения и невозможность проведения закалки непосредственно после цементации, дополнительный непродуктивный расход энергии на прогрев цементационных ящиков и т. п.

Качество процесса цементации оценивается по эффективной толщине цементованного слоя, которая определяется по одному из двух показателей -- твердости или структуре слоя. Структура поверхностного слоя цементованной стали состоит из нескольких зон: поверхностной -- заэвтектоидной (перлит + цементит), эвтектоидной -- перлитной и доэвтектоидной -- перлитоферритной. Эффективную толщину цементованного слоя по структуре принято измерять на металлографических шлифах в отожженном состоянии при увеличениях от 100 до 500 раз.

В случае, когда за критерий оценки толщины цементованного слоя принимается твердость или микротвердость после цементации, то оценка ведется на термически обработанных образцах, а за конец цементованного слоя принимается зона с твердостью 50 HRC. Процесс диффузионного насыщения сталей представляет собой сочетание трех видов взаимодействий: во внешней среде, т.е. пространстве, окружающим изделие; на границе раздела внешняя среда-металл; в объеме самого металла. Процесс диффузионного насыщения можно представить в виде трех основных последовательно или одновременно протекающих стадии процесса:

1) образование химического элемента в активированном атомарном состоянии в основном осуществляется в результате разнообразных химических реакций в насыщающей среде, вблизи или непосредственно на поверхности металла, причем активность среды в конкретных условиях насыщения однозначно определяется потенциалом атмосферы и зависит от состава и агрегатного состояния насыщающей среды, температуры, давления и состава стали.

2) адсорбция образовавшихся активных атомов поверхностью изделия;

3) диффузия адсорбированных атомов от поверхности в глубь изделия, обусловленная градиентом химического потенциала пропорционального градиенту концентрации диффундирующего элемента [6], и скорость которой определяется коэффициентом диффузии и предельной растворимостью насыщаемого элемента в стали [7].

При сложном взаимодействии различных физических и химических явлений, происходящих в различных соприкасающихся фазах и отделенных друг от друга поверхностью раздела, отдельные, часто не одинаковые по своей физической сущности стадии единого процесса протекают с различными скоростями или разными условиями. Поэтому конечный результат процесса и его продолжительность будут определяться именно той стадией, которая будет иметь минимальную скорость, - стадией, тормозящей весь процесс в целом. Обобщая результаты многочисленных исследований процессов диффузии и диффузионного насыщения при ХТО [6; 7] а также процессов взаимодействия поверхности металлов со средой можно сделать следующие выводы:

1) разность химических потенциалов насыщающей среды (µ_ср) и обрабатываемого металла (µ_Fe) служит термодинамическим стимулом процесса ХТО (?µ=µср-µ_Fe) причем активность среды однозначно определяется потенциалом атмосферы, а концентрация насыщаемого элемента на и поверхности и по слою зависит как от потенциала атмосферы, так и от скорости диффузии атомов с поверхности в глубь металла [1,6];

2) начальная стадия процесса ХТО, связанная с превращениями в исходных средах, по существу не может являться лимитирующим звеном, т.к. скорость химических реакций на межфазной границе намного больше скорости протекания процесса твердофазной диффузии.

3) стадия физической и химической адсорбции также не может являться лимитирующим звеном, т.к. эти процессы начинаются прежде всего на тех участках поверхности, энергия которых максимальна и адсорбированные атомы удерживаются на ней благодаря стремлению системы понизить запас свободной энергии.

4) наиболее медленным (лимитирующим) звеном процесса ХТО является стадия диффузии.

От развития процессов диффузии в основном зависит и характер формирования диффузионного слоя насыщаемого металла, толщина которого, являясь наиболее важной характеристикой ХТО, определяет глубину упрочнения [4, 6, 13].

Следовательно, интенсивность процесса ХТО и основные его характеристики (толщина диффузионного слоя и распределение концентрации насыщаемого элемента внутри него) зависят, главным образом, от развития диффузионной стадии процесса, и поэтому при анализе перспектив дальнейшего совершенствования технологии ХТО и интенсификации этих процессов необходимо основное внимание уделять закономерностям и условиям диффузии.