Свариваемость

2. Специальная часть

2.1 Выбор и обоснование структурного типа диффузионного слоя

Общеизвестно, что свойства металлов и сплавов практически полностью определяются их структурой. Это справедливо и для диффузионных слоев.

Поэтому, при выборе диффузионных слоев целесообразно определится со структурой, это облегчит в дальнейшем выбор конкретных диффузионных слоев определенного назначения.

Все диффузионные слои можно разделить на три структурных класса [1]:

· Диффузионные слои, основу которых составляют твердые растворы внедрения и замещения;

· Диффузионные слои на основе интерметаллидов (алюминидов, цинкидов, титанидов);

· Диффузионные слои на основе металлоподобных соединений (карбидов, боридов, силицидов, нитридов).

Высоконагруженные зубчатые колеса должны обладать высокой статической и усталостной прочностью на изгиб, выносливостью при контактных нагрузках, износостойкостью, ударной вязкостью. Однако условия эксплуатации зубчатых колес редуктора передачи большегруза БЕЛАЗа характеризуются длительной работой под действием переменных нагрузок в условиях нестационарного нагружения, при котором контактные напряжения могут достигать 1900-2400 МПа. Лимитирующим работоспособность фактором в этом случае является глубинная контактная усталость активных поверхностей зубьев, при котором источник первичных разрушений располагается на некоторой глубине диффузионного слоя [8].

Для повышения глубинной контактной усталости необходимо использовать диффузионные слои на основе твердых растворов внедрения и замещения, образующиеся при насыщении металлов и низколегированных сталей (сплавов) элементами, растворимыми в насыщаемом металле.

Их основу составляют твердые растворы насыщающих элементов в металле: в б-или-фазе, например диффузионные слои формирующиеся на железоуглеродистых сплавах при нитроцементации, силицирования, газовой цементации, алитирования в порошковых смесях и т.д.

Диффузионные слои этого класса разделяют на однозонные со структурой б-фазы и многозонные, которые образуются, например, при алитировании сталей (FeAl + Fe₃Fl + б-фаза или Fe₃Fl + б-фаза), силицировании (б'-фаза + б-фаза).

Многозонные диффузионные слои на основе твердого раствора являются многофазными, однозонные могут быть как одно-, так и многофазными. К однозонным гомогенным относятся все диффузионные слои со структурой б-фазы, к однозонным гетерогенным - со структурой б-фазы с включениями избыточных фаз: интерметаллидов, карбидов, нитридов и т.д [1].

Следует помнить, что твердые растворы имеют довольно широкие области гомогенности, поэтому даже при одинаковом фазовом составе их свойства могут изменятся в довольно широких пределах и должны существенно зависеть от технологии их получения.

2.2 Выбор и обоснование процесса ХТО для упрочнения деталей

Для обеспечения необходимых эксплуатационных свойств зубчатых колес применяют такие методы ХТО как: цианирование, азотирование, цементация и нитроцементация.

Цианирование обладает рядом преимуществ: высокое сопротивление износу и коррозии, малые деформации и коробления, а также стоит отметить возможность упрочнения отдельных участков путем погружения части детали в ванну. Однако у данного процесса присутствуют и недостатки - ядовитость и высокая стоимость цианистых солей, а также невозможность регулирования углерода и азота в слое. Метод цианирования получил довольно малую распространенность ввиду перечисленных недостатков.

Процесс азотирования для упрочнения конструкционных сталей, как правило, проводят газовым методом при температуре ниже 600 Поверхностный слой отличается высокой твердостью, износостойкостью, кавитационной стойкостью, усталостной прочности и сопротивления коррозии в атмосферных условиях и ряде жидких сред [1, стр. 167]. Однако такие слои не обладают достаточной вязкостью.

При цементации получается более вязкий диффузионный слой, что повышает обрабатываемость детали. Газовую цементацию проводят при 910…930. Иногда температуру повышают без заметного ущерба для качества изделий до 940…960 [1, стр. 152]. Газовая цементация - наиболее широко применяемый способ диффузионного упрочнения среднеразмерных зубчатых колес в условиях массового производства. Применение цементации позволяет получить высокую износостойкость, усталостную и контактную выносливость, статическую прочность при изгибе, вязкость. При данном методе применяются недорогие и относительно дешевые насыщающие среды, что является важной составляющей в снижении стоимости готовой продукции.

Нитроцементация проводится при 700…950 в газовой среде. Наиболее часто нитроцементацию проводят при 840…860. Процесс нитроцементации получил наиболее широкое распространение в машиностроении для деталей, по условиям работы которых достигается толщина упрочненного слоя 0,8…1,0 мм. Недостаток нитроцементации - необходимость поддержания азотирующей и науглероживающей способности среды в строгих пределах [1, стр. 242].

Механические свойства зубчатых колес после данных видов упрочнения представлены в виде таблицы 1.

Таблица 5

Механические свойства после различных видов упрочнения шестерен [2, стр. 31]

Как видно из таблицы наиболее лучшим комплексом свойств обладают легированные стали после цементации. Для упрочнения рассматриваемых шестерен (рисунок 3) применяют цементацию.

Рисунок 3 - Чертеж шестерни [5]

2.3 Выбор и обоснование технологии реализации цементации

Цементация в твердых карбюризаторах. Температуру насыщения при цементации в твердом карбюризаторе поддерживают в пределах 910…950.

Детали при цементации упаковывают в контейнеры совместно с карбюризатором - науглероживающей порошковой или гранулированной смесью на основе древесного угля с добавлением активатора для ускорения процесса.

Недостатками цементации в твердом карбюризаторе являются сложность регулирования степени насыщения, необходимость дополнительной затраты энергии на разогрев контейнера, также данный процесс является достаточно длительным, поэтому применение цементация в твердом карбюризаторе непрерывно сокращается в промышленности.

Цементацию в жидких средах проводят в соляных ваннах как электролизным так и безэлектролизным способом.

Жидкостным (безэлектролизным) способом обычно цементируют мелкие и тонкостенные детали, когда при небольшой толщине слоя нужно получить в нем высокое содержание углерода. Наиболее распространенный состав ванны для жидкостной цементации (масс. %):

78…85% Na₂CO₃ + 10…15% NaCl + 6…8% SiC

Процесс проводят при 880…900 в течение 20…40 мин. При этом формируется диффузионный слой толщиной 0,15…0,25 мм с толщиной эвтектоидной зоны около 0,1 мм.

В технологическом отношении расплав не очень удобен: через каждые 3 часа ванну следует освежать, добавляя около 0,5% SiC и Na₂CO₃. Один раз в месяц расплав необходимо полностью заменять [1, стр.148].

Электролизную цементацию проводят в расплаве состава (масс. %):

50% BaCO₃ + 50% BaCl₂

При 950 в течение 4 часов формируется диффузионный слой толщиной 1,6 мм. Этот способ цементации пока не получил промышленного применения.

Газовая цементация является наиболее прогрессивным и широко используемым в массовом производстве методом цементации. Газовую цементацию проводят при 910…930. Иногда температуру повышают без заметного ущерба для качества изделий до 940…960. Детали в корзинах или других приспособлениях загружают в герметичную камеру печи, куда подают с определенной скоростью газ-карбюратор.

Из всех методов цементации наиболее приемлемым является метод газовой цементации, за счет того, что при применении этого метода сокращается длительность процесса, поскольку отпадает необходимость прогрева контейнеров, наполненных малотеплопроводным карбюризатором, обеспечивается возможность полной механизации и автоматизации процессов и значительно упрощается последующая термическая обработка деталей, так как закалку можно проводить непосредственно из цементационной печи.

Продолжительность газовой цементации зависит от требуемой эффективной толщины диффузионного слоя. Зависимость толщины эффективного слоя от длительности цементации представлена в таблице 2.

Таблица 6

Влияние длительности цементации на толщину цементованного слоя на стали 20Х2Н4А

Структура после цементации получается крупнозернистой в связи с длительной выдержкой деталей при температуре науглероживания. Длительность изотермической выдержки при цементации зависит от заданной толщины слоя и марки цементируемой стали.

Рисунок 4 - Участок диаграммы Fe - Fe3C

Изменение содержания углерода и структуры по толщине цементованного слоя (схема):

t ц - температура цементации;

t₃₁ - температура нагрева при первой закалке;

t₃₂ - температура нагрева при второй закалке

2.5 Механизм образования и строения цементированного слоя

Диффузия углерода в железо возможна, только если углерод находится в атомарном состоянии. Атомарный углерод, образующийся в насыщающей атмосфере адсорбируется поверхностью стали и диффундирует вглубь металла.

При температуре цементации диффузионный слой состоит только из аустенита, а после медленного охлаждения из феррита и цементита. Цементацию рекомендуется проводить так, чтобы содержание углерода на поверхности было в пределах 0,7…0,9 масс. %. Для повышения сопротивления контактной усталости содержание углерода может быть повышено до 1,1…1,2 масс. %.

Цементованный слой имеет переменную концентрацию углерода по толщине, убывающей от поверхности к сердцевине детали. В связи с этим после медленного охлаждения в структуре цементованного слоя можно различать (от поверхности к сердцевине) три зоны (рисунок 4): заэвтектоидную, состоящую из перлита и вторичного цементита, образующего сетку по бывшему зерну аустенита; эвтектоидную, состоящую из одного пластинчатого перлита, и доэвтектоидную зону, состоящую из перлита и феррита. Количество феррита в этой зоне возрастает по мере приближения к сердцевине.

В случае цементации сталей, некарбидообразующие элементы несколько понижают толщину цементированного слоя и содержание углерода в нем, а действие карбидообразующих элементов обратное. Однако при легировании значительным количеством карбидообразующих элементов, при температуре диффузии возможно образование двухфазного слоя из аустенита и карбидов глобулярной формы. В этом случае суммарное содержание углерода на поверхности может достигать 2 масс, %. На толщину слоя легирующие элементы в том количестве, в котором они обычно присутствуют в конструкционных цементируемых сталях, практически не влияют. На рисунке 5 представлена микроструктура цементированного слоя.

Рисунок 5 - Микроструктура цементированного слоя [1, стр. 158]

2.6 Термическая обработка после цементации

В результате цементации достигается лишь выгодное распределение углерода по сечению. Окончательно формирует свойства цементованной детали последующая термообработка. После закалки цементованное изделие приобретает высокую твердость и износостойкость, повышается предел контактной выносливости и предел выносливости при изгибе, при сохранении вязкой сердцевины.

Заключительной операцией термической обработки шестерен является низкий отпуск при 160-180, переводящий мартенсит закалки в поверхностном слое в отпущенный мартенсит, частично снимающий напряжения.

График химико-термической обработки рассматриваемой шестерни (рисунок 3) приведен на рисунке 6.

Рисунок 6 - Режим химико-термической обработки шестерни из стали 20Х2Н4А и ее структура после обработки

В результате, структура стали после цементации, закалки и низкого отпуска стали 20Х2Н4А состоит из 3ех частей: поверхностный слой - мелкоигольчатый мартенсит, переходный слой - малоуглеродистый мартенсит и структура сердцевины - П+Ф.

2.7 Разработка и описание технологического процесса химико-термической обработки деталей

Зубчатое колесо подается на термический участок с помощью электропогрузчика в контейнерах с сопроводительными документами (сертификаты, печати на деталях). Детали после механической обработки обезжириваются в 5% содовом растворе. После чего зубчатые шестерни перемещаются на место складирования агрегата Elterma и по мере необходимости детали поступают в печь. В печи происходит их науглераживание при температуре 950°С. Детали находятся в печи приблизительно 10 часов для получения диффузионного слоя толщиной 0,9... 1,3 мм. Нагрев для цементации ведется в среде эндогаз + СН₄ (6-7%), а для закалки среда эндогаз. После подстуживания до 850°С. начинается закалка (непосредственно после цементации, т. е. с цементационного нагрева).

После закалки детали охлаждаются в закалочном баке до 20°С. В качестве закалочной жидкости применяют масло И-20.

Перед нагревом в отпускной печи детали промываются в масле в моечной машине в 5% содовом растворе при температуре 60- 80°С.

Отпуск шестерни также ведется в защитной атмосфере. Нагрев проводится до температур 180°С. Продолжительность пребывания деталей в печи составляет 2,5 часа. Охлаждение после нагрева производится на воздухе.

После завершения цикла термической обработки детали перемещаются на место складирования готовых изделий.

3. Анализ полученных результатов, выводы

Контроль качества цементованных деталей

Основными параметрами оценки качества деталей после цементации являются: толщина, микроструктура и твердость цементованного слоя. Одновременно проверяют структуру и твердость сердцевины. Толщину цементованного слоя контролируют на образцах (указателях), которые обрабатывают вместе с деталями. Микроструктуру оценивают по микрошлифам цементованных и закаленных образцов с помощью специальных шкал, разработанных для данной стали.

Заключение

Газовая цементация является одним из наиболее эффективных способов обеспечения необходимых эксплуатационных свойств шестерен. Цементация повышает твердость поверхностных слоев стали, предел прочности при растяжении и изгибе, износостойкость и предел выносливости стали.

Необходимой термической обработкой после цементации является закалка с подстуживанием и низкий отпуск.

Список литературных источников

1. Ворошнин Л.Г. Теория и технология химико-термической обработки / Л.Г. Ворошнин, O.JI. Менделеева, В.А. Сметкин. Минск: Новое издание, 2010. 300 с.

2. Сусин А.А. Химико-термическое упрочнение высоконагруженных деталей / А.А. Сусин. Минск: Беларуская навука, 1999. 174 с.

3. Бернштейн M.JI. Технология термической обработки стали. / M.JI. Бернштейн. Пер. с нем. - М.: Металлургия, 1981. - 608 с.

4. Лахтин Ю.М. Термическая обработка в машиностроении. / Ю.М. Лахтин, А.Т. Рахштадт. 1985,- 162-166 с.

5. Зинченко В.М. Инженерия поверхности зубчатых колес методами химико-термической обработки. / В.Н. Зинченко. М.: Издательство МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2001. 303 с.

6. Козловский И.С. Химикотермическая обработка шестерен. /И.С. Козловский. М.: Машиностроение, 1970.

7. Зубченко А.С., Марочник сталей и сплавов.- М.: Машиностроение, 2003,- 784 с.

8. Руденко С.П., Структура цементованных слоев зубчатых колес трансмиссий энергонасыщенных машин./ С.П. Руденко, А.Л. Валько, Е.И. Мосунов // МиТОМ.2012.№4. С. 38-42.

Размещено на allbest.ru