Московский Государственный Технический Университет им. Н.Э. Баумана












Домашнее задание

по материаловедению

Вариант Д-18














Выполнил: студент группы Э3-41

Горбунов А.С.

Проверил: Карпуховский С.Д.











Москва 2007



Задание № Д-18


Для зубчатых колес, работающих на износ, применяются цементуемые стали, а также улучшаемые стали после азотирования.

1. Выберите сталь и назначьте режимы термической и химико-термической обработки для малонагруженного зубчатого колеса диаметром 60 мм, максимальным сечением 20 мм, если рабочая температура детали не превышает 75 ºС. Производство массовое. Постройте график термообработки, включающий термическую и химико-термическую обработку в координатах температура-время.

2. Опишите процесс ХТО, а также структурные превращения, происходящие на поверхности и в сердцевине детали на всех этапах термической обработки. Укажите окончательную твердость поверхности и сердцевины зубчатого колеса после упрочняющей обработки.


3. Приведите основные сведения об этой стали: химический состав по ГОСТу, область применения, требования, предъявляемые к этому виду изделий, механические и технологические свойства, влияние легирующих элементов и др.





























1.

От зубчатых колес требуется износостойкость профилей и торцов зубьев.

Высокая твердость поверхности необходима для затруднения истирания контактных поверхностей при их проскальзывании. Наиболее полно этому требованию удовлетворяют стали, имеющие твердый поверхностный слой, а также вязкую и достаточно прочную сердцевину, способную противостоять действию ударных нагрузок. Сочетание твердой поверхности и вязкой сердцевины достигается химико-термической обработкой низкоуглеродистых сталей или поверхностной закалкой среднеуглеродистых сталей.

Некоторые детали работают в условиях поверхностного износа, испытывая

при этом и динамические нагрузки. Такие детали изготавливают из

низкоуглеродистых сталей, содержащих 0,10–0,30 % С, подвергая их затем

цементации.

Для изделий небольших размеров, деталей неответственного назначения

применяют стали 10, 15, 20, для деталей более сложной формы, деталей сильно

нагруженных, крупных применяют низколегированные стали с небольшим

содержанием углерода. В качестве легирующих элементов в цементуемые стали добавляют хром, никель и др.

Изделия небольшого сечения и несложной формы, работающие при

повышенных удельных нагрузках (втулки, валики, оси, кулачковые муфты,

поршневые пальцы и т.д.), делают из хромистых сталей 15Х, 20Х, содержащих

около 1 % хрома. При содержании хрома до 1,5 % в цементованном слое повышается концентрация углерода, образуется легированный цементит, увеличивается глубина эвтектоидного слоя, а после термической обработки увеличивается и глубина закаленного слоя. Дополнительное легирование этих сталей ванадием (0,1(0,2 %)–сталь 15ХФ–способствует получению более мелкого зерна, что улучшает пластичность и вязкость.

Для мелких и средних колес приборов, сельскохозяйственных машин применяют хромистые стали 15Х, 15ХФ, 20ХР.

Хромистые стали 15Х, 20Х, а также содержащие дополнительно ванадий( 15ХФ ) или бор ( 20ХР), образуют группу дешевых сталей нормальной прочности. Для уменьшения коробления их закаливают не в воде, а в масле. В результате они приобретают структуру троостита или бейнита и упрочняются несколько меньше. Стали этой группы применяют для небольших деталей (сечением не более 25 мм), работающих при средних нагрузках.

Выберем сталь марки 15ХФ.

Цементация в твёрдом карбюризаторе

Технологический процесс диффузионного насыщения углеродом назы­вается цементацией. Обычно после цементации сталь подвергают закал­ке и низкому отпуску. Поверх­ности, не подлежащие цементации, защищают гальваническим омеднени­ем; толщина медного слоя составляет 0,02 - 0,05 мм.

Цементации обычно подвергают такие детали машин, которые долж­ны иметь износостойкую рабочую поверхность и вязкую сердцевину: зуб­чатые колеса, валы и пальцы, распределительные валики, кулачки, чер­вяки и т.д.

Процесс цементации в твердом карбюризаторе идет через газо­вую фазу. Наиболее распространенный твердый карбюризатор состоит в основном из древесного угля с добавкой 20 - 25 % ВаСОз для интенси­фикации процесса и 3 - 5 % СаСОз для предотвращения спекания частиц карбюризатора. Детали, подлежащие цементации, и карбюризатор упако­вывают в контейнер (стальной ящик) и нагревают в печи до 910 - 930 °С. При нагреве уголь взаимодействует с кислородом остаточного воздуха по реакции

2С + 02 -> 2СО

Кроме того, оксид углерода образуется в результате реакции

ВаСОз + С → ВаО + 2СО

На поверхности деталей протекает ведущая процесс цементации ре­акция диспропорционирования

2СО↔С02 + С

в результате которой активный углерод адсорбируется насыщаемой по­верхностью, находящейся в аустенитном состоянии, а СO2 взаимодейству­ет с углем, образуя новые порции СО.

Таким образом, в результате обратимой реакции диспропорционирования углерод переносится на насыщаемую поверхность.


Типичная структура цементованного слоя на поверхности низкоугле­родистой стали после медленного охлаждения от температуры цементации состоит из заэвтектоидной, эвтектоидной, доэвтектоидной зон. Обычно ее сопоставляют со схемами:

Рис. 1. Участок диаграммы состояния Fe - Fe3C, а также изменение содержания углеро­да и структуры по толщине цементованного слоя h (схема) tц - температура цементации; tз1> tз2 - температура нагре­ва при первой и второй закал­ке соответственно.


Принято различать полную и эффективную толщину цементованного слоя. За эффективную толщину принимают сумму заэвтектоидной, эвтектоидной и половины доэвтектоидной зоны слоя. Эффективная толщина цементованного слоя обычно составляет 0,5 - 1,8 мм и в исключительных случаях достигает 6 мм (при больших контактных нагрузках на цементо­ванную поверхность).

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.


Термическая обработка после цементации

Для получения заданного комплекса механических свойств после це­ментации необходима дополнительная термическая обработка деталей.

В зависимости от условий работы, а также от выбранной для изгото­вления детали стали, режим упрочняющей термической обработки может отличаться. Для малонагруженных трущихся деталей машин, испы­тывающих в условиях работы динамическое нагружение, в результате термической обработки нужно получить не только высокую поверхност­ную твердость, но и высокую прочность (например, для зубчатых колес - высокую прочность на изгиб), а также высокую ударную вязкость. Для обеспечения указанных свойств необходимо мелкое зерно, как на поверх­ности детали, так и в сердцевине. В таких случаях цемен­тованные детали подвергают сложной термической обработке, состоящей из двух последовательно проводимых закалок и низкого отпуска.

При первой закалке деталь нагревают до температуры на 30 — 50°С выше температуры Асз цементируемой стали.

При второй закалке деталь нагревают до t32 с превышением на 30-50°С температуры Ас1 (см. рис. 1).



Окончательной операцией термической обработки является низкий отпуск при 160 — 200°С, уменьшающий остаточные напряжения и не сни­жающий твердость стали.



2. Структурные превращения

-На поверхности:

После цементации концентрация углерода на поверхности стальной детали составляет 0,8 — 1 % и сопротивляется износу, твердость поверхности равна 750 - 950 HV. Наружная часть слоя имеет структуру заэвтектоидных сталей — перлит и вторичный цементит, ко­торый при медленном охлаждении выделяется на границах аустенитных зерен в виде оболочек (на шлифе сетка). Во время термообработки при нагреве на поверхности детали образуется аустенит. При температуре t31 весь диффузионный слой переходит в аустенитное состояние, по­этому, чтобы предотвратить выделение цементита, проводят первую закалку. При второй закалке в процессе нагрева мартенсит, полученный в результате первой закалки, отпускается, что сопровожда­ется образованием глобулярных карбидов, которые в определенном коли­честве сохраняются после неполной закалки в поверхностной заэвтектоидной части слоя, увеличивая его твердость. Окончательной операцией термической обработки является низкий отпуск. После двойной закалки и низкого отпуска поверхностный слой при­обретает структуру отпущенного мартенсита с включениями глобуляр­ных карбидов.

-В сердцевине:

После цементации сердцевина детали, содержит 0,15 - 0,25 % С и остается вязкой. Структура внутреннего слоя соответству­ет доэвтектоидной стали, причем количество перлита уменьшается при приближении к сердцевине. Во время термообработки при нагреве в сердцевине детали образуется аустенит. Нагрев до температур, лишь немного превышающих Ас3, вызывает перекристаллизацию сердце­вины детали с образованием мелкого аустенитного зерна, что обеспечит мелкозернистость продуктов распада. При температуре t31 весь диффузионный слой переходит в аустенитное состояние, по­этому, чтобы предотвратить выделение цементита, проводят первую закалку. Вторая закалка обеспечивает мелкое зерно в сердцевине. Окончательной операцией термической обработки является низкий отпуск. После двойной закалки и низкого отпуска сердцевина детали приобретает структуру бейнита. Из-за низкого содер­жания углерода будет обеспечена достаточно высокая ударная вязкость.






Чтобы не видеть здесь видео-рекламу достаточно стать зарегистрированным пользователем.
Чтобы не видеть никакую рекламу на сайте, нужно стать VIP-пользователем.
Это можно сделать совершенно бесплатно. Читайте подробности тут.