Д-13 (Материаловедение Д-13)

Посмотреть архив целиком

9


МГТУ им. Н. Э. Баумана



Факультет:

Кафедра:



Домашнее задание по материаловедению

Задача №Д-13

Студент: Смирнов О.С.

Группа:

Подпись:

Преподаватель:

Подпись:





Москва 2016 г.

Условие:

Валы, оси, шестерни, крестовины карданного шарнира автомобиля изготавливают из цементуемых сталей марок: 18ХГТ, 20ХГР, 25ХГМ,
30ХГТ и других.

  • Выберите легированную сталь для изготовления крестовины карданного шарнира диаметром шейки 30 мм, упрочняемой цементацией в условиях массового производства. Назначьте и обоснуйте режимы газовой цементации и последующей термической обработки, обеспечивающие эффективную толщину слоя 0.8 – 1.1 мм, твердость поверхности HRC 59 – 62, сердцевины – HB 260 – 320. Постройте график термообработки, включающий науглероживание и последующую термическую обработку в координатах температура – время.

  • Опишите структурные превращения, происходящие в поверхностном слое и сердцевине детали на всех стадиях термической обработки.

  • Приведите основные сведения об этой стали: химический состав по ГОСТу, область применения, требования, предъявляемые к этому виду изделий, механические свойства после выбранного режима термической обработки, технологические свойства, влияние легирующих элементов, достоинства и недостатки и др.



Выбор материала



Карданная передача - это механизм трансмиссии автомобиля, предназначенный для передачи крутящего момента внутри трансмиссии между агрегатами, оси которых не совпадают или могут изменять свое положение, состоящий из одного или нескольких карданных валов и карданных шарниров.

Асинхронный карданный шарнир состоит из двух вилок 12 и 13 (см. рисунок) и крестовины 27, соединяющей вилки шарнирно.

Рис. 1 Карданная передача автомобиля ЗИЛ-130 и детали карданного шарнира.

На шипах крестовины установлены стаканы 22 с игольчатыми подшипниками 23. Иглы подшипника опираются на стопорную шайбу 24.

Разрушение карданных шарниров происходит в результате разрушения (бринеллирования) и выкрашивания шипов крестовины, рабочих поверхностей стаканов игольчатых подшипников, а также износа рабочих поверхностей из-за недостаточного слоя смазочного материала.

Бринеллирование (сплющивание) шипов крестовины также является результатом неравномерного распределения нагрузки по длине игл при их сдвиге относительно оси рабочих поверхностей шипов крестовин и стаканов подшипника. Бринеллирование возникает как следствие несовершенства конструкции, некачественной сборки, и недостаточной твердости рабочих поверхностей шипа.

Помимо бринеллирования возможно также усталостное выкрашивание (питтинг) на соприкасающихся с иглами поверхностях, что объясняется высокими контактными напряжениями. Выкрашивание рабочих поверхностей шипов крестовины и стаканов подшипников является следствием усталостного разрушения, вызванного возникновением значительных контактных напряжений при неравномерном распределении нагрузки по длине рабочих игл.

На основе этих сведений, можно сделать вывод, что материал крестовины карданного шарнира должен обладать следующими свойствами: контактная выносливость, сопротивление усталости при изгибе, износостойкость поверхности. Поверхность детали должна быть достаточно твердой, но не хрупкой. Такими характеристиками после обработки обладают используемые в крупносерийном производстве автомобилей экономно-легированные хромомарганцевые стали, в частности, природно-мелкозернистая цементуемая сталь марки 18ХГТ. Термообработка этой стали достаточно простая, и заключается в цементации, одной закалке и последующем отпуске.

Исходя из того, что сталь 18ХГТ после цементации обладает всеми требуемыми свойствами, достаточно дешева и проста в обработке, назначим ее для изготовления крестовины карданного шарнира.



Основные сведения о материале



Сталь выполнена по ГОСТ 4543-71.

18ХГТ – экономно-легированная хромомарганцевая природно-мелкозернистая цементуемая сталь. Применяется для улучшаемых или цементуемых деталей ответственного назначения, от которых требуется повышенная прочность и вязкость сердцевины, а также высокая поверхностная твердость, работающих под действием ударных нагрузок. Сталь малосклонна к отпускной хрупкости, что также является существенным плюсом.

  • Удельный вес составляет 7800 кг/м3.

  • Обрабатываемость резанием: обрабатывается

  • Свариваемость материала: без ограничений. (кроме химико-термически обработанных деталей). Способы сварки: РДС, КТС.

  • Флокеночувствительность: не чувствительна.

  • Склонность к отпускной хрупкости: малосклонна.

18ХГТ может заменять высококачественные и дорогостоящие хромированные сплавы в промышленности и производстве, что существенно сокращает затраты на производство продукции, не теряя высоких показателей качества металлопроката.

Состав, согласно ГОСТ 4543-71 (в процентах):


Легирующие элементы

Примесь

Вредные примеси

Легирующие элементы

Примесь

C

углерод

Si

кремний

Mn

марганец

Ni

никель

S

сера

P

фосфор

Cr

хром

Ti

титан

Cu

медь

0.17 - 0.23

0.17 - 0.37

0.8 - 1.1

до 0.3

до 0.035

до 0.035

1 - 1.3

0.03 - 0.09

до 0.3



Влияние легирующих компонентов:

  • Хром: препятствует росту зерна аустенита, резко увеличивает прокаливаемость. Растворяется в цементите, замещая атом железа, повышает стойкость против коррозии (при содержании >1%) и окисления, увеличивает износостойкость, повышает сопротивляемость снижению прочности при высоких температурах.

  • Марганец: увеличивает склонность к росту зерна аустенита, увеличивает прокаливаемость, замедляет превращения аустенита, противодействует красноломкости при повышении в стали содержания серы, увеличивает износостойкость, особенно при высоком содержании углерода, повышает вр стали в равновесном и высокоотпущенном состоянии, но увеличивает склонность к отпускной хрупкости.

  • Титан: препятствует росту зерна, повышает прокаливаемость в растворённом виде, связывает углерод в карбиды, снижает твёрдость мартенсита и уменьшает прокаливаемость в среднехромистой стали, предотвращает получение аустенита после закалки в высокохромистой стали. Предотвращает межкристаллитную коррозию.



Термообработка

Термообработка состоит из четырех процессов:

  1. Цементация 920-950 °С

  2. Неполная закалка в масле 820-860 °С

  3. Отпуск 150-200 °С

  4. Подстуживание

После обработки материал будет обладать следующими свойствами:

σ0,2 (МПа) (Предел текучести)

780

σв(МПа) (Предел прочности)

980

KCU (кДж / м2) (Ударная вязкость)

78

HB (HRC), не более

Сердцевина 240-300 / Поверхность (57-63)



Цементация

Технологический процесс диффузионного насыщения углеродом называется цементацией. Обычно после цементации сталь подвергают закалке и низкому отпуску. После такого комплексного процесса концентрация углерода на поверхности стальной детали составляет более 0,8%, материал вблизи поверхности имеет структуру низкоотпущенного мартенсита с мелкими сфероидальными карбидами. Поверхность после цементации хорошо сопротивляется износу и имеет повышенную твердость. Сердцевина детали, содержащая углерода столько же, сколько и до цементации, остается вязкой и пластичной.

Помимо крестовины карданного шарнира, цементации подвеграются и другие детали машин, которые должны иметь износостойкую рабочую поверхность и вязкую сердцевину: зубчатые колеса, валы и пальцы, распределительные валики, кулачки, червяки и т. д.

Структура цементованного слоя

Наружная часть слоя, содержащая больше 0.8 % С, имеет структуру заэвтектоидных сталей – перлит и вторичный цементит, который при медленном охлаждении выделяется на границах аустенитных зерен в виде оболочек (на шлифе видна цементитная сетка). Средняя часть слоя, имеющая эвтектоидную концентрацию, состоит из перлита. Далее по направлению к сердцевине концентрация углерода уменьшается, структура соответствует доэвтектоидной стали, причем количество перлита уменьшается при приближении к сердцевине.

Принято различать полную и эффективную толщину цементованного слоя (см. рисунок). Когда говорят о толщине цементованного слоя, обычно подразумевают эффективную толщину.

За эффективную толщину принимают сумму заэвтектоидной, эвтектоидной и половины доэвтектоидной зоны слоя.

Структура после цементации получается крупнозернистой в всязи с длительной выдержкой деталей при температуре науглероживания, однако, для природно-мелкозернистой стали это не существенно. Длительность изотермической выдержки при цементации зависит от заданной толщины слоя и марки цементируемой стали.

Карбюризатор

Исходную среду для цементации принято называть карбюризатором. Есть насколько видов карбюризаторов, однако в промышленности используется преимущественно газовый карбюризатор. В случае с газовой цементацией обеспечивается возможность полной механизации и автоматизации процессов, и значительно упрощается последующая термическая обработка деталей, так как закалку можно проводить непосредственно из цементационной печи.

При газовой цементации в качестве карбюризатора используют разбавленный природный газ (состоящий почти полностью из метана), контролируемые атмосферы, получаемые в специальных генераторах, а также жидкие углеводороды (керосин, бензол и др.), каплями подаваемые в герметичное рабочее пространство печи, где они образуют активную газовую среду. Основная ведущая реакция при наличии метана:

CH4 2H2 + C

В зависимости от состава газовой смеси и содержания углерода в стали атмосфера в рабочем пространстве печи может быть науглероживающей, обезуглероживающей и нейтральной. Нейтральному составу газовой смеси соответствует определенная равновесная концентрация углерода на поверхности стальной детали. Эту концентрацию углерода принято называть углеродным потенциалом контролируемой атмосферы. Следовательно, науглероживание будет происходить в том случае, если концентрация углерода на поверхности стали будет меньше углеродного потенциала газовой смеси при данной температуре.

Продолжительность цементации

Общая продолжительность цементации слагается из суммы времени, необходимого для прогрева деталей до рабочей температуры процесса, времени выдержки при этой температуре для получения цементованного слоя заданной глубины и времени подстуживания, если оно производится в печи или в колодцах.

Продолжительность периода выдержки для получения цементованного слоя заданной глубины зависит главным образом от температуры и требуемой глубины слоя. Скорость цементации не остается постоянной даже при одной и той же температуре. Как известно, по мере увеличения глубины слоя она уменьшается. Если принять в определенных интервалах глубины слоя эту скорость постоянной, что практически вполне допустимо, то для данной температуры процесса продолжительность его можно приближенно определить, разделив заданную величину слоя на среднюю скорость цементации. В таблице приведены средние значения скорости газовой цементации в зависимости от температуры для различных интервалов глубины слоя.

Воспользуемся таблицей, чтобы определить время цементации:

Глубина слоя, мм

Скорость при различных температурах, мм/ч

900°С

925°С

950°С

975°С

1000°С

До 0,5

0,5—1,0

1,0—1,5

1,5—2,0

2,0—2,5

0,45

0,30

0,20

0,15

0,12

0,55

0,40

0,30

0,20

0,15

0,75

0,55

0,40

0,25

0,20

-

0,75

0,55

0,35

0,25

-

0,95

0,75

0,55

0,40



Необходимо получить цементованный слой толщиной 0,8-1,1 мм. Исходя из таблицы, время цементации (примем толщину слоя 1,0 мм) при температуре 950°С составит 1 час 40 минут.



Структурные превращения при термической обработке.

Температура критических точек у стали 18ХГТ равна: Ас1 = 740°С, Ас3 = 825°С.

До нагрева сталь имеет ферритно-перлитную структуру. При первоначальном нагреве до 950°С сталь полностью переходит в аустенитное состояние, находясь в котором она подвергается изотермическому процессу цементации. После завершения цементации происходит процесс подстуживания на воздухе до температуры около 840°С, в ходе которого после которого следует закалка в масле, после закалки производится низкий отпуск для снятия напряжений. После цементации в разных слоях материала происходят разные процессы, в зависимости от концентрации углерода они ведут себя как разные сплавы.

Нагрев до цементации:

Первичный нагрев происходит в два шага: при температуре Ас1 , в стали происходит превращение перлита в аустенит. Кристаллы (зерна) аустенита зарождаются в основном на границах фаз феррита и перлита.

При этом параллельно развиваются два процесса: полиморфный переход Fe->Fe и растворение цементита в аустените. Полиморфное превращение идет с более высокой скоростью, поэтому по завершении его аустенит сохраняет неоднородность по углероду, для устранения которой требуется определенное время.

Поскольку в каждой перлитной колонии зарождается несколько центров кристаллизации аустенита, превращение при температуре Ас1 сопровождается измельчением зерна стали.

При нагреве от Ас1 до Ас3 происходит превращение избыточного феррита в аустенит, это сопровождается диффузией углерода, приводящей к выравниванию концентрации и небольшому укрупнению зерен аустенита.

Повышение температуры стали в однофазной аустенитной области приводит к дальнейшему росту зерен аустенита – происходит процесс собирательной рекристаллизации.



Подстуживание:

После цементации разные слои материала имеют разную структуру, и с ними происходят разные структурные изменения. В слое с концентрацией углерода более 0,8% из аустенита «прорастает» вторичный цементит, в слое с концентрацией углерода менее 0,8% - феррит.

Закалка в масле.

При непрерывном охлаждении в стали с υ0 > υкр аустенит превращается в мартенсит, неравновесную фазу – пересыщенный твёрдый раствор внедрения углерода в Fe.

Мартенситное превращение интенсивно протекает при непрерывном охлаждении в интервале температур от Мн до Мк. Малейшая изотермическая выдержка в этом интервале температур недопустима: она приводит к стабилизации аустенита, т.е. превращение не доходит до конца, и кроме мартенсита в структуре наблюдается остаточный аустенит

Свойства мартенсита зависят от количества растворенного в нём углерода. С увеличением его содержания возрастает хрупкость мартенсита. Мартенситное превращение в сталях сопровождается заметным увеличением объема. Весьма сильно изменяются и другие физические свойства стали.