4. Задание 4

Выбрать и обосновать наиболее рациональный вид термической или химико-термической обработки, дающий возможность получения требуемых свойств – твердости HRC 60 у шестерни из стали 20. Изложить его сущность.

Подробно изложить основные этапы технологического процесса обработки:

- выбрать и обосновать необходимую температуру нагрева;

- назначить время выдержки;

- выбрать и обосновать охлаждаемую среду.

Начертить необходимый участок диаграммы «железо - цементит» и нанести на нем ординату сплава заданного изделия. На ординате от­метить температуры нагрева для соответствующих этапов принятого технологического процесса термообработки.

Начертите график разработанного технологического процесса термообработки в координатах «температура - время».

Описать структурные превращения, происходящие в обрабаты­ваемой стали на каждом этапе технологического процесса.

Ответ:

Для изготовления шестерни применяют, стали, устойчивые к усталостному виду изнашивания.

Усталостное выкрашивание на рабочих поверхностях шестерни вызывают циклические контактные напряжения сжатия. Они создают в поверхностном слое мягкое напряжённое состояние, которое облегчает пластическое деформирование поверхностного слоя детали и, как следствие, развитие в нём процессов усталости. В связи с этим высокая контактная выносливость может быть обеспечена лишь при высокой твердости поверхности, необходимой также для затруднения истирания контактных поверхностей при их проскальзывании.

Контактная выносливость определяет габаритные размеры шестерни и ресурс ее работы. Кроме высокой контактной выносливости от шестерни требуется сопротивление усталости при изгибе, износостойкость профилей и торцов зубьев, устойчивость к схватыванию. Наиболее полно этим требованиям удовлетворяют, стали, имеющие твёрдый поверхностный слой, а также вязкую и достаточно прочную сердцевину, способную противостоять действию ударных нагрузок. Выбор стали, и метода упрочнения зависит от условий работы шестерни, технологических требований и имеющегося оборудования.

В нашем случае Сталь 20 – конструкционная углеродистая качественная (0,2% С). Стали, содержащие ≤ 0,25 % С закалку не воспринимают, однако, они подвергаются химико-термической обработке, например, цементации.

Сталь 20 используется для изготовления малонагруженных шестерен с высокой твердостью поверхности, где допускается невысокая прочность сердцевины, т.е. шестерни, работающей в условиях обычного износа и удара. Для получения необходимого комплекса эксплуатационных свойств (высокая износостойкость поверхности при достаточно высокой усталостно-изгибочной прочности зуба) сталь 20 подвергают цементации на глубину 0,8-1,2 мм, закалке и последующему низкому отпуску. Назначение цементации и последующей термической обработки – придать поверхностному слою высокую твердость и износостойкость. Эти свойства достигаются обогащением поверхностного слоя стали углеродом доэвтектоидной, эвтектоидной или заэвтектоидной концентрации и последующей термической обработкой, сообщающей поверхностному слою стальных изделий структуру мартенсита или мартенсита с карбидами и небольшим количеством остаточного аустенита, сердцевина имеет сорбитную структуру. Среда, в которой проводят цементацию, называется карбюризатором. Газовая цементация является основным процессом цементации на предприятиях массового производства. При газовой цементации сокращается длительность процесса, так как отпадает необходимость прогрева, можно обеспечить более полную механизацию и автоматизацию процесса, упрощается последующая термическая обработка и, самое главное, можно получить заданную концентрацию углерода в слое.

Итак, термическая обработка заключается в газовой цементации при температуре 920-950ºС на глубину 0,8-1,2 мм, продолжительность выдержки 8-10 часов. Механизированное термическое оборудование и автоматическая система контроля и регулирования углеродного потенциала в печи цементации позволяет нам на поверхности цементуемого слоя получить эвтектоидное насыщение углеродом. Структура слоя при температуре насыщения – аустенит, после медленного охлаждения в атмосфере агрегата от поверхности к сердцевине – перлит – перлит + феррит.

Для гарантированного получения мелкоигольчатого мартенсита на зубьях шестерни детали после цементации охлаждают до температуры ниже температуры 600ºС (подстуживают), а затем нагревают под закалку до температуры 800-820ºС согласно диаграммы железо-цементит, см. рис. 8. Температуру нагрева под закалку выбирают для цементованного слоя (эвтектоиного 0,8% С). Температура Aс₃ для данной стали составляет 800-820ºС. Охлаждение углеродистых сталей при закалке производят, как правило, в воде. Для повышения охлаждающей способности воды при закалке среднеуглеродистых сталей добавляют в нее 10% NaCl.

Рис. 8. Стальной угол диаграммы железо-цементит, Сталь 20

Охлаждение в воде заготовок шестерен обеспечивает скорость охлаждения цементованного слоя выше критической. Структура поверхностного слоя после закалки – мартенсит, структура сердцевины – сорбит. Низкий отпуск проводим при температуре 180-190ºС, выдерживая 2 – 2,5 ч, необходимых для прогрева детали по всему сечению и прохождения процессов снятия внутренних напряжений. Более высокие температуры применять не следует, так как это приводит к снижению твердости, статической и усталостной прочности, износостойкости цементовано-закаленных изделий. Атмосфера в печи при проведении низкого отпуска – воздух. Охлаждение после отпуска на воздухе. Структура поверхностного слоя – отпущенный мартенсит, структура сердцевины – низкоуглеродистый сорбит.

График разработанного технологического процесса термообработки в координатах «температура - время» представлен на рис. 9:

Рис. 9. График технологического процесса термообработки шестерни (Сталь 20)

Твердость поверхности готового изделия 58-62 HRC.

Механические свойства в сердцевине готового изделия: σ_Т = 370 МПа, σ_В = 550 МПа, δ = 18%, ψ = 45%.