Для зубчатых колес, подвергающихся динамическим нагрузкам, работающим в условиях повышенных температур, используются теплостойкие комплексно-легированные цементуемые стали, а также улучшаемые стали после азотирования.

1. Выберите сталь и назначьте режимы термической и химико-термической обработки для средненагруженного зубчатого колеса коробки скоростей авиадвигателя диаметром 100мм, максимальным сечением 40мм. Температура на участках контакта может достигать 450°С. Постройте график термообработки, включающий термическую и химико-термическую обработку в координатах температура-время.

2. Опишите 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 свойства после выбранного режима термической обработки, технологические свойства, влияние легирующих элементов, достоинства и недостатки и т. д.



























1) Выбор стали


Основным эксплуатационным свойством зубчатых колес является контактная выносливость. Кроме высокой контактной выносливости от зубчатых колес требуется сопротивление усталости при изгибе, износостойкость профилей и торцов зубьев, устойчивость к схватыванию. Высокая твердость поверхности необходима для затруднения истирания контактных поверхностей при их проскальзывании. Наиболее полно этим требованиям 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.

Для зубчатых колес, работающих при высоких контактных нагрузках, применяют цементуемые (нитроцементуемые) легированные стали. Они имеют наиболее высокий предел контактной выносливости, значение которого устанавливают в зависимости от твердости поверхности.

Твердость цементованной поверхности составляет 58-62 HRC. Излишне высокая твердость нежелательна из-за возможности хрупкого разрушения цементованного слоя. При постоянной твердости поверхности контактная выносливость растет с увеличением толщины упрочненного слоя и твердости сердцевины. Твердость сердцевины составляет 30-42 HRC.

Сильно нагруженные зубчатые колеса диаметром 150-600мм и более изготовляют из хромоникелевых сталей 20ХН3А, 12Х2Н4А, 18Х2Н4МА и др. Их используют в редукторах вертолетов, судов, самолетов.

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

В условиях массового производства (авто- и тракторостроение) применяют экономнолегированные стали 18ХГТ, 30ХГТ, 25ХГМ, 20ХНМ, 20ХГР и др. Их подвергают нитроцементации.

Азотирование также гарантирует высокую твердость поверхности, но из-за небольшой толщины упрочненного слоя возможны подслойные разрушения. Азотирование целесообразно применять для средненагруженных колес сложной конфигурации, шлифование которых затруднено. Для азотированных колес используют стали 38Х2МЮА, 40Х, 40ХНМА и др.

Хромистая сталь (15ХФ) относится к группе 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. Кроме того, при закалке эта сталь не позволяет получить твердость поверхности более 37.5 HRC. Чувствительна к перегреву, прокаливаемость невелика.

Сталь 18ХГТ используется для изготовления деталей ответственного назначения, от которых требуется повышенная прочность и вязкость сердцевины, а также высокая поверхностная твердость, работающая под действием ударных нагрузок. Закалка этой стали при температуре 900 °С позволяет получить твердость около 30 HRC в сердцевине детали и 41.5-50.5 HRC на поверхности. Прокаливаемость составляет 35-60 мм. Недостатком стали 18ХГТ является склонность к внутреннему окислению при газовой цементации, что приводит к снижению твердости поверхностного слоя и предела выносливости.

Сталь 38Х2МЮА используется для тяжело нагруженных деталей работающих в условиях повышенных температур.

Хромоникельмолибденовая сталь 18Х2Н4МА наиболее высоколегированна и имеет высокие механические свойства.

Хромоникелевая сталь (20ХН3А) имеет высокие прочностные свойства. Используется при изготовлении шестерен, валов, втулок, силовых шпилек и др. деталей. При цементации и последующей термообработке получаем твердость в сердцевине детали более 240 HB и на поверхности – 58-62 HRC.

В соответствии с условием задачи выбираем азотируемую сталь марки 38Х2МЮА.


2) Термическая и химико-термическая обработка


Режим предварительной термической обработки

Зададим режим предварительной термической обработки. Нам необходимо получить зубчатое колесо диаметром 100мм и сечением 40мм. В соответствии с этим, нужный режим будет выглядеть следующим образом:


Проводим нагрев до температуры закалки равной 940 ºС в течение 30-40 мин, затем выдержку 150-200 мин и охлаждение в масле. Далее проводим отпуск при температуре 660 ºС, продолжительностью 5 часов, после чего производится охлаждение на воздухе. После этого проводим азотирование при 530 ºС в течение 48 часов. Схема термообработки приведена на рис:




Азотирование

Азотированием называют процесс диффузионного насыщения азотом поверхностной зоны деталей. Азотирование применяют для повышения износостойкости и предела выносливости деталей машин (коленчатые валы, зубчатые колеса, гильзы цилиндров, червяки, валики, шестерни и др.)

До азотирования детали подвергают закалке, высокому отпуску (улучшению) и чистовой обработке. После азотирования детали шлифуют или полируют.

Обычное азотирование проводят при температуре 500-600 ºС в муфелях или контейнерах, через которые пропускается диссоциирующий аммиак.

По сравнению с цементированными азотированные слои легированных сталей имеют более высокие твердость и износостойкость. Однако азотирование используют реже, чем цементацию, из-за большей длительности процесса и меньшей толщины упрочненного слоя, что ограничивает контактные нагрузки на поверхность детали.


Преимущества:

  1. более высокие твердость и износостойкость.

  2. минимальные деформации и коробление.

  3. сохранение высокой степени прочности.


Недостатки:

  1. большая длительность процесса

2. меньшая толщина упрочненного слоя, что ограничивает кон­тактные нагрузки на поверхность детали.


2) Структурные превращения.

А) При нагреве до температуры закалки.

Равновесная структура доэвтектоидных сталей - феррит и перлит. При промышленных скоростях нагрева при закалке перлит вплоть до температуры AС1 (800ºС) сохраняет пластинчатое строение. При достижении температуры AС1 в стали начинается превращение перлита в аустенит. Зерна аустенита зарождаются на поверхностях раздела феррита и цементита. Превращение состоит из двух параллельно идущих процессов: полиморфного превращения Feα -> Feγ и растворения углерода цементита в Feγ.

В каждой перлитной колонии зарождается несколько центров образования зерен аустенита, поэтому превращение при температуре AС1 сопровождается измельчением зерна стали. После перехода перлита в аустенит в структуре сохраняется избыточное содержание феррита. Далее, при нагреве от AС1 до AС3 происходит превращение избыточного феррита в аустенит. Процесс сопровождается диффузией углерода, приводящей к выравниванию его концентраций.

Входящие в состав стали 38Х2МЮА легирующие элементы могут образовывать карбиды, поэтому нежелательный рост зерен аустенита при дальнейшем увеличении температуры происходит с небольшой скоростью (так как частицы карбидов располагаются по границам зерен, что препятствуют процессу собирательной рекристаллизации).


Б) Превращения при охлаждении с температуры закалки.

При непрерывном охлаждении в интервале температур от Мн до Мк со скоростью V>Vкр происходит бездиффузионное превращение аустенита в мартенсит. Быстрое охлаждение необходимо для подавления диффузионных процессов образования перлита и бейнита. Мартенсит представляет собой неравновесную структуру – пересыщенный твердый раствор внедрения углерода в Feγ. Кристаллы мартенсита имеют пластинчатую форму и растут с огромной скоростью, равной скорости звука в стали (~5000 м/с). Их росту препятствует граница зерна аустенита или ранее образовавшаяся пластина мартенсита.

Легирующие элементы стали понижают температуры Мн и Мк, поэтому в закаленных легированных сталях после охлаждения до 20-25 ºС может сохраниться некоторое количество остаточного аустенита. Образовавшийся в результате закалки мартенсит приводит к повышению твердости, прочности, но также и к возникновению остаточных напряжений. Именно вследствие этого требуется проведение отпуска.

В) Превращения при нагреве во время проведения отпуска.


Случайные файлы

Файл
70789.rtf
26742.rtf
123481.rtf
159229.rtf
118702.rtf




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.