Гического процесса и расчет режима термической обработки детали»
Введение
Термическая обработка является одним из эффективных способов улучшения свойства металла за счет изменения его внутренней структуры. Поэтому она широко применяется в со-временном машиностроении, а также при ремонте автомобилей, тракторов, сельско-хозяйственных машин и различного оборудования.
Цель работы – освоить методику и получить практические навыки по разработке техно-логического процесса и назначению режимов термической обработки деталей машин.
Задание
Разработать технологический процесс и назначить режимы термической обработки за-данной детали.
Составить отчет.
Исходные данные для выполнения работы:
Вариант 8
Название детали шлицевой вал,
Размер детали Ø60х120 мм,
Материал сталь 40,
Технические условия предъ-
являемые к детали после
термообработки НRС 35…40.
Шлицевое вал (рисунок2.1)—соединение вала(охватываемой поверхности)и отверстия(охватывающей поверхности) с помощью шлицев(пазов) и зубьев (выступов), радиально распо-ложенных на поверхности. Обладает большой прочностью, обеспечивает соосность вала и от-верстия, с возможностью осевого перемещения детали вдоль оси, который может привести к усталостному излому.
Рисунок 2.1 – Эскиз шлицевого вала
Решение
2.1 Характеристика сплава и обоснование его выбора для изготовления заданной детали.
Сталь 40 относится к группе конструкционных, углеродистых, высококачественных марок сталей. В промышленности из этой стали изготавливают трубы, поковки, крепежные детали, валы, диски, роторы, фланцы, зубчатые колеса, втулки для длительной и весьма длительной службы при температурах до 4500С.
Вид поставки: сортовой прокат, в том числе фасонный: ГОСТ 1050-88,. калиброванный пруток ГОСТ 7417-75.
Химический состав стали 40 и механические свойства приведены соответственно в таб-
лицах 2.1 и 2.2.
Таблица 2.1 – Химический состав стали 40
| Химический | Содержание, | Влияние на свойства стали | |||||||||||
| элемент | % | ||||||||||||
| Оказывает основное влияние на свойства стали. Увеличе- | |||||||||||||
| Углерода С | 0,37…0,45 | ние углерода ведет к изменению | структуры стали, повы- | ||||||||||
| шению твердости, прочности и понижению пластичности. | |||||||||||||
| Вредная примесь в стали в виде FeS. Придает ей хруп- | |||||||||||||
| кость при высоких температурах 800…12000С, например, | |||||||||||||
| Сера (S) | до 0,04 | при нагреве под ковку или прокатку вызывает трещины, а | |||||||||||
| также к разрушению к заготовки. | |||||||||||||
| Такое явление называется красноломкостью. | |||||||||||||
| Вредная примесь в стали. Растворяясь в феррите повыша- | |||||||||||||
| Фосфор (P) | до 0,035 | ет ее твердость | и вызывает хладноломкость, т.е. сталь | ||||||||||
| становиться хрупкой при нормальной и особенно при | |||||||||||||
| низкой температуре. | |||||||||||||
| Кремний (Si) | 0,17…0,37 | Полезная примесь в стали. Растворяясь в феррите повы- | |||||||||||
| шает твердость, упругость и жесткость стали. | |||||||||||||
| Марганец (Mn) | 0,50…0,80 | Полезная примесь в стали. Растворяясь в феррите увели- | |||||||||||
| чивает прочность стали. Устраняет вредное влияние серы. | |||||||||||||
| Хром (Cr) | 0,25 | Повышает прокаливаемость, способствует получению | |||||||||||
| высокой и равномерной твердости стали. | |||||||||||||
| Медь (Cu) | до 0,25 | Повышает коррозионную стойкость | |||||||||||
| Благоприятно влияет на все свойства стали, повышая со- | |||||||||||||
| Никель (Ni) | до 0,25 | противление хрупкому излому, пластичность и ударную | |||||||||||
| вязкость. | |||||||||||||
| Таблица 2.2 – Механические свойства стали 40 | |||||||||||||
| σ0,2 (МПа) | σв(МПа) | δ5(%) | ψ% | KCU(Дж/ | НВ,не более | ||||||||
| см2) | |||||||||||||
| 123-167 |
По справочной литературе находим микроструктуру стали 40 до термической обработки.
Она приведена на рисунке 2.2. По микроструктуре определяем площадь феррита (Ф) и
перлита (П), которая соответственно составляет 50 и 50 %.
Рисунок 2.2 – Микроструктура стали до термической обработки
Определяем содержание углерода в стали до закалки.
В связи с тем, что в феррите растворено небольшое количество углерода, практически можно считать, что в доэвтектоидной стали весь углерод находится в перлите, тогда его коли-чество определяем из пропорции
100% П – 0,8%С
Fп – х,
Х = п 0,8 %, 100
Х = 0,8 %, 100
где F п – площадь, занятая перлитом, %, х – содержание углерода, %.
Тогда Х = 50 · 0,8 = 0,4%,
100
Таким образом содержание углерода в стали 0,4% и это доэвтектоидная сталь с твердо-стью НВ 217 (по сплавочной литературе).
Для изготовления заданного шлицевого вала работающего в условиях в знакомеременных нагрузок правильно выбрана сталь 40. Обусловлено это тем, что она обладает высокой твердо-стью, прочностью, износостойкостью и способностью противостоять значительным динамиче-ским нагрузкам. Кроме того она стойка против коррозии, а также сохраняет неизменными размеры и форму детали в течении длительного времени.
2.2 Обоснование видов термической обработки шлицевого вала и маршрута технологиче-ского процесса.
Анализ справочной литературы, что для деталей испытывающих в работе знакоперемен-ную нагрузку предпочтительны стали 40, 45, 50, 40Х, 45ХН со структура зернистого сорбита отпуска. Структуру зернистого сорбита получают путем термической обработки до твердости НRC 35-40.
Для получения зернистого сорбита отпуска (Со) в микроструктуре стали 40 необходимо провести следующие виды термической обработки шлицевого вала: нормализацию, закалку и отпуск.
Нормализация это предварительная термическая обработка и является разновидностьюотжига. Она предназначена для образования в стали перлита более тонкого строения. При этом снимает внутренние напряжения, повышает механические свойства стали. Является энергосбе-регающей операцией и широко применяется в машиностроении, а также при ремонте автомо-билей, тракторов, сельскохозяйственных машин и различного оборудования.
Нормализация заключается в нагреве металла на 30…500С выше точки Ас3 или Асmли-нии GSЕ (рисунок 2.2, 2.3), выдержке при этой температуре и последующим охлаждением на воздухе.
Закалка применяется с целью получения высокой твердости и требуемых физико-механических свойств. Для шлицевого вала после закалки необходимо получить структуру мартенсит с твердостью НRC55.
Закалка осуществляется путем нагрева детали до температуры в интервале превращений или выше, выдержки при этих температурах и последующем охлаждения со скоростью выше критической в интервале наименьшей устойчивости аустенита. В зависимости от температуры нагрева различают полную и неполную закалку стали. Для доэвтектоидной стали применяют полную закалку, при этом ее нагревают до температуры на 30…50 0С выше точки Ас3 линии GS. Для заэвтектоидных сталей применяют неполную закалку с нагревом на 20…50 0С выше точки АС1. линии SК. (рисунок 2.3, 2.4).
Поскольку шлицевой вал изготовлен из доэвтектоидной стали назначаем для него полную закалку.
Для большинства деталей в машиностроении после закалки обязательно применятся от-пуск стали. Закалка с последующим высоким отпуском называется улучшением. Отпуску под-вергают закаленную сталь с целью повышения ударной вязкости, пластичности, уменьшения твердости, снятия внутренних напряжений, уменьшения хрупкости закаленной стали, а также получения требуемой равновесной структуры и заданных механических свойств. Отпуск это процесс термической обработка который заключается в нагреве закаленной стали до темпера-туры ниже базовых превращений АС1 (рисунок 2.2, 2.3), выдержке при заданной температуре и последующим охлаждением с определенной скоростью. Он является окончательной операцией при термической обработке в результате которого сталь получает требуемые механические свойства.
При отпуске сталь нагревают до температуры точки АС1и затем охлаждают обычно на
| воздухе. В зависимости от температуры нагрева различают три вида | отпуска: низкий |
| (150…2500С), средний (300… 5000С) и высокий (500…6500С). | |
| Шлицевой вал, работающий в условиях знакопеременных нагрузок | требует проведения |
высокого отпуска и получения твердости НRС 35…40 со структурой сорбита отпуска.
На основании проведенного анализа назначаем следующий маршрут термической обра-ботки шлицевого вала:
НОРМАЛИЗАЦИЯ → ЗАКАЛКА → ОТПУСК
2.3 Параметры режима технологического процесса нормализации стали40.
Для шлицевого вала в качестве предварительной термической обработки назначаем нор-мализацию. Основные параметры ее режима: температура нагрева и продолжительность вы-держки при этой температуре.
Температуру нагрева стали 40 для нормализации определяем по диаграмме Fe-Fe3C (ри-сунок2.2, 2.3),а продолжительность выдержки по графику (рисунок 2.5).
Рисунок 2.3 – Диаграмма состояния железоуглеродистых сплавов (Fe-Fe3C)
| t 0 | |||||
| 1200 | |||||
| 1130 0 | |||||
| Е | F | ||||
| 1100 | |||||
| Аустенит | |||||
| 1000 | |||||
| А1 | |||||
| 910 | Интервал закалочных | ||||
| температур | А+Ц | ||||
| G | |||||
| 800 А3 | 723 0 | ||||
| А+Ф | |||||
| Ф еррит | |||||
| Р | S | А1 | K | ||
| 700 | А1 | ||||
| Ф +П | |||||
| 0,2 | 0,4 0,6 0,8 1,0 | 1,2 1,4 1,6 1,8 2,0 2,2 2,4 2,6 %,С |
Рисунок 2.4– Нижняя часть диаграммы Fe-Fe3C (участок стали) с указанием интервала температур нагрева для закалки
| t , | |||||||
| мин/ | мм | ||||||
| 10 | |||||||
| 9 | |||||||
| 8 | 3 | ||||||
| 7 | 2 | ||||||
| 6 | |||||||
| 5 | 1 | ||||||
| 4 | |||||||
| 3 | |||||||
| 2 | |||||||
| 1 | |||||||
| 0 | |||||||
| 200 300 | 400 500 | 600 700 800 900 1000 | Т | , | С |
Рисунок 2.5 – Нормы времени нагрева и выдержки углеродистой стали (мин/1мм толщины) для образцов формы: I -цилиндрической, 2, - квадратной, 3 - плоской
Назначаем следующие параметры режима процесса нормализации: температура нагрева 8500С, время выдержки – 60 мин, среда охлаждения – воздух.
После нормализации получаем структуру феррит + перлит тонного строения, без внут-ренних напряжений (рисунок 6).
Рисунок 2.6 – Структура стали 40 после нормализации
2.4 Параметры режима технологического процесса закалки стали 40.
Целью закалки в нашем случае является получения структуры мартенсит.
Основные параметры технологического процесса закалки является температура нагрева, время выдержки при этой температуре и скорость охлаждения.Поскольку сталь 40 является доэвтектоидной, то ее необходимо греть по режиму полной закалки доаустенитного состояния.
Температуру нагрева определяем по диаграмме Fe-Fe3C выше точки АС3линия
GS.(рисунок 2.2, 2.4):
Тдо3= АС3+(30…500С,
Тдо3= 800+50 = 8500С.
Продолжительность нагрева зависитот типа нагревательного устройства,теплопровод-ности металла, формы и размеров сечения, а также порядка укладки их в печи.
Время нагрева и продолжительность (выдержки)определяем по графику(рисунок 2.7).
| t , | |||||||
| мин/ | мм | ||||||
| 10 | |||||||
| 9 | |||||||
| 8 | 3 | ||||||
| 7 | 2 | ||||||
| 6 | |||||||
| 5 | 1 | ||||||
| 4 | |||||||
| 3 | |||||||
| 2 | |||||||
| 1 | |||||||
| 0 | |||||||
| 200 300 | 400 500 | 600 700 800 900 1000 | Т | , | С |
Рисунок 2.7 – Нормы времени нагрева и выдержки углеродистой стали (мин/1мм толщины) для образцов формы: I - цилиндрической, 2, - квадратной, 3 - плоской
Для заданной температуры нагрева 8500С и цилиндрической формы шлицевого вала определяем коэффициент нагрева τ = 1 мин/мм. Затем этот коэффициент умножаем на диаметр шлицевого вала и в результате получаем время выдержки детали в печи:
t =1 мин/мм х 60 мм = 60 мин.
Скорость охлаждения оказывает большое влияние на структуру и механические свой-ства стали. Это влияние на процесс перестройки структуры можно проследить по диаграмме изотермического распада аустенита (рисунок 2.8).
Рисунок 2.8 – Диаграмма изотермического распада аустенита:
I - линия начала распада аустенита, 2 - линия конца распада аустенита; М н - начало образования мартенсита, М к - конец образования мартенсита,
vKP - вектор критической скорости охлаждения.
Если охлаждать углеродистую сталь в интервале температур 650…400°С со скоростью менее 100°С/с, то углерод будет выходить из кристаллической решетки в виде пластин цемен-тита, которые чередуются с пластинками феррита (малоуглеродистый раствор углерода в Fe a). Полученная структура называется сорбит закалки - это смесь Ф + Ц (HRC30). При увеличении скорости охлаждения до 200°С/с пластины феррита и цементита не успевает вырасти, получен-ная смесь называется троостит закалки, её твёрдость HRC45.Увеличение скорости до значений более 250°С/с дает бездиффузионный процесс перестройки аустенита в мартенсит. Наимень-шая скорость охлаждения при закалке, при которой в структуре стали образуется мартенсит, называется критической скоростью охлаждения νкр.
Таким образом для получения структур, таких как сорбит закалки с твердостью НRС30 ско-рость охлаждения составляет 1000С/с; для троостита закалки с твердостью НRС45 - скорость охлаждения - 2000С/с; для мартенсита с твердость НRС 65 скорость охлаждения - 2500 С/с.
Определив, критическую скорость, vKP, подбираем закалочную среду, которая имеет большое значения для успешного проведения термической обработки. Наиболее распростра-ненные закалочные среды: вода, 5…10% водный раствор едкого натрия или поваренной соли и минеральные масло. Для закалки углеродистых сталей рекомендуются применять воду с тем-пературой 180С, а для закалки большинства легированных сталей – масло.
Назначаем следующие параметры режима процесса закалки стали 40: температура нагрева 8500С, время выдержки – 60 мин, скорость охлаждения – 2500С/с.
В результате закалки стали мы получаем мартенситную микроструктуру. Мартенсит (от имени немецкого металлурга Адольфа Мартенса; AdolfMartens, 1850-1914) это основная структурная составляющая закалённой стали, которая представляет собой перенасыщенное углеродом и другими примесямиα-железо такой же концентрации, как и у исходного аустени-та. Образуется в результате ускоренного охлаждения аустенита (рисунок 2.9).
Рисунок 2.9 – Схема структурных превращений при закалке доэвтектоидной стали 40
Мартенсит обладает высокой твердостью (в пределах 55….60 НRС или НВ до 700 МПа) и хрупкостью. Под микроскопом имеет светлое игольчатое строение. (рисунок 2.10)
Рисунок 2.10 – Микроструктура мартенсита(фото, схема)
Таким образом, эта структура соответствует наиболее высокой твердости стали.
2.5 Параметры режима технологического процесса отпуска стали 40
Основными параметрами режима процесса отпуска является температура нагрева стали и время выдержки
Температуру нагрева для отпуска стали 40 (содержание углерода 0,4%) определяем по графику (рисунок 2.11), которая составляет 4800С, что соответствует высокому отпуску.
Рисунок 2.11 –График зависимости твердости от температуры отпуска (по Г.В.Курдюмову)
Время выдержки в печи при отпуске для стали 40 шлицевого вала с диаметром 60 мм определяем по графику (рисунок 2.7), которая составляет 132 мин.
Назначаем следующие параметры режима процесса отпуска стали 40: температура нагрева 5000С, время выдержки – 132 мин, среда охлаждения – воздух.
Таким образом, в результате среднего отпуска получаем микроструктуру соорбит отпус-ка (рисунок 2.12).
Рисунок 2.12 – Микроструктура троостит отпуска (фото, схема)
Сорбит (по фамилии английского ученого К.Г.Сорби) отпуска является более устой-чивой структурой закаленной стали. Этодисперсная механическая смесь феррита и цементита. Образуется из мартенсита закалки в результате его распада при нагреве до температуры5000С (высокий отпуск).Он обеспечивает повышение предела выносливости, ударной вязкости, пла-стичности, снижение хрупкости и снятие внутренних напряжений. Механические свойства:
НRC 35…45, σв = 750…900 МПа, δ = 4…10%.
2.6 Нагревательное устройство для термической обработки
Нагревательное устройство выбираем с учетом размеров детали и максимальной темпера-туры нагрева по справочной литературе. Предпочтительными для нагрева детали являются печи с нейтральной или защитной атмосферой.
Для нашего случая используем печь КЭСм-60N (таблица2.4). Таблица 2.4 – Техническая характеристика печиКЭСм-60N
| Название пе- | Максимальная | Количество нагре- | |||
| Размер печи | Тип печи | вательных элемен- | |||
| чи | температура нагрева | ||||
| тов | |||||
| КЭСм-60N | 400х500х300 | спирали | |||
2.7 Карта технологического процесса термической обработки шлицевого вала
Результаты выполненных расчетов заносим в технологическую карту производственного процесса термической обработки шлицевого вала (таблица 2.5).
Таблица 2.5 – Карта технологического процесса термической обработки детали (учебная)
| Кафедра | Наименование детали | Наименование и марка | Масса-5,5 | ||||||||||
| Ремонта машин и ма- | Шлицевой вал | металлаСталь 40 | кг | ||||||||||
| териаловедения | |||||||||||||
| Технические требования: | ||||||||||||
| Эскиз детали | Твердость после термической обработкиHRC, 35-40 | ||||||||||||
| № | Обору- | Приспособле- | Твердость, | Глубина | Параметры режима | Кол-во | |||||||
| Наименование и содержание операции | ние, | термической обработки | деталей | ||||||||||
| дование | HRC, НВ | слоя, мм | |||||||||||
| п/п | инструмент | в печи | |||||||||||
| Т,°С | τ, мин | ν, °С/с | |||||||||||
| Нормализация | |||||||||||||
| 1.Заложить деталь в печь, нагреть и выдержать | печь | клещи, | НВ-217 МПа | 850- | |||||||||
| КЭСм-60N | перчатки | ||||||||||||
| 2 Вынуть и охладить деталь | клещи, | Воздух | |||||||||||
| перчатки | |||||||||||||
| 3 Проверить твердость поверхности детали | Твердомер | НВ 220 МПа | |||||||||||
| Бринеля | |||||||||||||
| Закалка | |||||||||||||
| 1.Заложить деталь в печь, нагреть и выдержать | печь | клещи, | НВ 220 МПа | 850- | |||||||||
| КЭСм-60N | перчатки, | ||||||||||||
| 2 Вынуть и охладить деталь | бак, клещи | ||||||||||||
| 3 Проверить твердость поверхности детали | Твердомер | НRC 54 | |||||||||||
| Роквелла | |||||||||||||
| Отпуск | |||||||||||||
| 1.Заложить деталь в печь, нагреть и выдержать | печь | клещи, | НRC 54 | ||||||||||
| КЭСм-60N | перчатки | ||||||||||||
| 2 Вынуть и охладить деталь | клещи, | Воздух | |||||||||||
| перчатки | |||||||||||||
| 3 Проверить твердость поверхности детали | Твердомер | НRC 40 | |||||||||||
| Роквелла | |||||||||||||
2.8 Выводы
Выбранный маршрут технологического процесса ТО позволяет улучшить механиче-ские свойства и структуру шлицевого вала.
Закалка в сочетании с высоким отпуском (улучшение) обеспечили получение струк-тура сорбита отпуска, которая является более устойчивой структурой закаленной стали. Это дисперсная механическая смесь феррита и цементита. Образуется из мартенсита закал-ки в результате его распада при нагреве до температуры 5000С (высокий отпуск) Он обес-печивает повышение предела выносливости, ударной вязкости, пластичности, снижение хрупкости и снятие внутренних напряжений. Механические свойства: НRC 35…45 МПа,
σв = 750…900МПа, δ = 4…10%.
Рекомендуемая литература
Основной
1 Афанасьев А.А. ПогонинА.А. Технология конструкционных материалов: учебник / Старый Оскол: ТНТ,2014.
2 Богодухов С.И. и др. Материаловедение и технологические процессы в машинострое-нии. Старый Оскол: «ТНТ» 2013.
Дополнительный 1Ачеркан Н.С. и др. Справочник металлиста (том №1. М, Металлургия)
2 Практикум по технологии конструкционных материалов и материаловедению / Ось-кин В.А., Байкалова В.Н. и др.- М.: КолосС. - 2007.
3 Оськин В.А., Евсюков В.В., Материаловедение. Технология конструкционных мате-риалов. Кн. 1.- С: КосолосС. 2008
4 Лахтин Ю.М. Материаловедение и термическая обработка. - М.: Металлургия, 2003 г
5 Фетисов Г.П. и др. Материаловедение и технология металлов. - М.: Высшая школа 2004
г
6 Филинов С.А. и др. Справочник термиста. М, Машиностроение, 1975.
7 Шмыков А. А. Справочник термиста. М, Машгиз, 1961.
Приложение 1 Варианты индивидуальных заданий к расчетно-графической работе «Разработка тех-
нологического процесса и расчет параметров режима термической обработки деталей»
| № | Техничес
Поиск по сайту©2015-2024 poisk-ru.ru
Все права принадлежать их авторам. Данный сайт не претендует на авторства, а предоставляет бесплатное использование. Дата создания страницы: 2017-10-25 Нарушение авторских прав и Нарушение персональных данных |
Поиск по сайту: Читайте также: Деталирование сборочного чертежа Когда производственнику особенно важно наличие гибких производственных мощностей? Собственные движения и пространственные скорости звезд Интересно: |