Курсовая Пример (1). Материаловедение
 Скачать 1.26 Mb.
|
|
МИНИСТЕРСТВО НАУКИ И ВЫСШЕГО ОБРАЗОВАНИЯ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ СТЕРЛИТАМАКСКИЙ ФИЛИАЛ ФЕДЕРАЛЬНОГО ГОСУДАРСТВЕННОГО БЮДЖЕТНОГО ОБРАЗОВАТЕЛЬНОГО УЧЕРЕЖДЕНИЯ ВЫСШЕГО ОБРАЗОВАНИЯ «БАШКИРСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ» Естественнонаучный факультет Кафедра технологии и общетехнических дисциплин КУРСОВАЯ РАБОТА по теме «Обоснование выбора конструкционных материалов и режимов их термической обработки для изготовления деталей машин» по дисциплине «Материаловедение» В 21 Выполнил: студент группы ZМАШ11 Ханмурзин Р.Р. ФИО Проверил: к.т.н., доцент Белобородова Т.Г. Стерлитамак, 2020 МИНИСТЕРСТВО НАУКИ И ВЫСШЕГО ОБРАЗОВАНИЯ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования «Башкирский государственный университет» Стерлитамакский филиал Естественнонаучный факультет Кафедра технологии и общетехнических дисциплин Задание на курсовую работу по дисциплине« Материаловедение » 1. Тема «Обоснование выбора конструкционных материалов и режимов их термической обработки для изготовления деталей машин». 2. Студент Ханмурзан Р.Р. заочного обучения ZМАШ11 группы. 3. Задание: Выбрать стали для шпинделей токарных и шлифовальных станков с учетом того, что шпиндели работают в условиях износа, которые, кроме того, должны обеспечить высокую точность обработки. Деформация шпинделей шлифовальных станков при окончательной термической обработке должна быть минимальной. Оба шпинделя должны иметь повышенную износостойкость. Указать структуру выбранной стали и твердость поверхностного слоя и сердцевины после окончательной обработки. 4. Дата выдачи задания: «26» ноября 2019 года 5. Срок защиты курсовой работы «___»__________2020 года. 6. Руководитель ________________ / Т.Г. Белобородова (подпись) (И.О. Фамилия) 8. Студент ________________ / ____________________ (подпись) (И.О. Фамилия) Изм . Лист № докум. Подпись Дата Лист 1 Разраб . Ханмурзин Провер. Белобородова Т.Г Н. Контр. Утв. Лит. Листов СФ БашГУ, ЕНФ, ZMAШ11 СОДЕРЖАНИЕ Введение 4 1. Аналитический обзор с обоснованием выбора стали и характеристикой ее свойств 6 2. Разработка технологического процесса термической обработки стали 11 Выводы 17 Список использованной литературы 18 Изм. Лист № докум. Подпись Дата Лист 4 Введение Цель данной работы - выбрать материалы (марку стали) для изготовления шпинделей токарного и шлифовального станков в соответствии с условиями задания, разработать технологический процесс термической обработки деталей. Указать структуру выбранных сталей и твердость поверхностного слоя и сердцевины после окончательной обработки. В металлообработке шпинделем называют вал (см. рис. 1), снабжённый устройством для закрепления обрабатываемого изделия (заготовки) в зажимном патроне токарного станка, либо режущего инструмента на фрезерных, агрегатных, расточных, сверлильных и др. металлорежущих станках с применением конуса Морзе. В сверлильной, фрезерной и расточной группе станков шпиндель также имеет регулируемую длину, приводимую в движение механическим или ручным способом. Для шлифовального станка это вращающийся вал. Рис. Шпиндель Используется подобное устройство при создании самого различного оборудования и инструментов. Как ранее было отмечено, назначение заключается в фиксации инструментов и деталей. Область применения может быть существенно расширена за счет применения различной оснастки. Шпиндели токарных станков. Шпиндель для токарного станка представляет собой вал с отверстием посередине (см. рис. 2). В него, в отверстие, вставляют заготовки будущих деталей. Изм. Лист № докум. Подпись Дата Лист 5 Обычно в конструкции используется вращающийся шпиндель, который применяется для снятия стружки, вырезания пазов и придания формы заготовкам. Через него происходит передача крутящего момента с электродвигателя на деталь, а также изоляция рабочего инструмента от вибрационных нагрузок, который принимает на себя подшипник. Фиксация инструмента происходит с помощью зажимного патрона, установленного на конце шпинделя. Шпиндель токарного станка изготавливается из высокопрочной стали, что необходимо для безопасной эксплуатации станка, долговечности детали и высокой точности выполняемых работ. Он считается главным элементом станка, так как остальные узлы и детали предназначены для обеспечения его работы. Конструкция шпинделя зависит от множества факторов, обычно от сферы назначения, типа и устройства станка, размеров и скорости работы. Раньше основой этого узла выступали подшипники, отклонение на которых достигало 1 мкм. На сегодняшний день требования к шпинделям усилились, поэтому современные образцы изготавливаются с применением магнитных или воздушных опор. Подобное решение позволяет добиться минимального отклонения, не превышающего 0,2 мкм. Рис. 2 Шпиндель токарного станка Конструкция узла должна соответствовать следующим требованиям: Точность. Подбирается исходя из модели станка, обрабатываемого материала и технологических требований. Быстроходность. Разные типы шпинделей вращаются на разных скоростях, чем быстрее скорость обработки заготовки, тем выше качество выполненной работы. Жесткость. Определяется соотношением величины прогиба шпинделя и уровня радиального биения. Чем данный показатель ниже, тем выше качество работы. Долговечность. Срок эксплуатации узла, в первую очередь, зависит от качества используемого подшипника. Виброустойчивость. Шпиндель должен быть толерантным к вибрации к внешней вибрации станка, что обеспечивает высокую точность работы инструмента. Допустимый нагрев. Определяется максимальной температурой нагрева узла, при котором не изменяются эксплуатационные характеристики шпинделя. Изм. Лист № докум. Подпись Дата Лист 6 Несущая способность. Характеризует рекомендуемые вес и размеры рабочего инструмента. Шпиндели шлифовальных станков. Шпиндельные узлы предназначены для вращения шлифовального круга или обрабатываемой детали. К шпиндельным узлам предъявляются следующие требования: точность вращения - минимальное биение на переднем конце шпинделя в радиальном и осевом направлениях; жесткость - правильность положения шпинделя при действии усилий резания; виброустойчивость - способность гасить вибрации от процесса обработки; долговечность - длительное сохранение точности вращения; минимальный нагрев и температурные деформации; быстрое и надежное закрепление инструмента, приспособления или детали с их точным центрированием. Рис. 3 Шпиндель шлифоального станка Шпиндели нормальной точности изготавливают из сталей 45, 40Х с поверхностной закалкой до твердости HRC45-55, шпиндели высокоточных станков - из цементуемых сталей типа 20Х или азотируемых сталей типа 38ХМЮА с доведением их твердости до HRC 63-68. Для обеспечения требований, предъявляемых к шпиндельным узлам, шпиндельные опоры должны быть достаточно жесткими, чтобы сохранить заданное положение при воздействии радиальных и осевых усилий резания, обеспечивать высокую точность вращения и минимальный нагрев. Изм. Лист № докум. Подпись Дата Лист 7 1. Аналитический обзор с обоснованием выбора стали и характеристикой ее свойств Решающими факторами, определяющими выбор материала шпинделя, являются твердость и износостойкость рабочих шеек и базирующих поверхностей фланцев, а также стабильность размеров и формы шпинделя в процессе его изготовления и работы. Шпиндели станков нормальной и повышенной точности (Н и П), устанавливаемые в подшипниках качения, изготовляют из сталей марок 40Х, 45, 50. В качестве основного метода упрочнения рекомендуется поверхностная закалка с индукционным нагревом до получения твердости 48...56 HRC. Объемная закалка, обеспечивающая твердость 56...60 HRC, используется преимущественно для шпинделей сложной формы, например с конусными отверстиями небольшого размера, с фланцами, пазами для крепления сухарей и т.д., когда закалка с индукционным нагревом технологически трудна. Обычно объемной закалке подвергают только переднюю часть шпинделя. В этом случае шпиндели рекомендуется изготовлять из стали 50Х. Если для рабочих поверхностей шпинделей требуется твердость 54...59 HRC, а объемная закалка затруднена, шпиндели изготовляют из сталей 40ХФА и 18ХГТ с последующим азотированием или из сталей 18ХГТ и 20Х с последующей цементацией. Для азотирования возможно также применение стали марки 40Х, но износостойкость в этом случае будет несколько меньше. Шпиндели станков высокой и особо высокой точности (В и А), устанавливаемые в подшипниках качения, в связи с высокими требованиями к точности изготовления, постоянству размеров, формы и износостойкости рекомендуется выполнять из сталей марок 40ХФА и 18ХГТ и упрочнять методом азотирования. При изготовлении шпинделей несложной конфигурации допускается применение цементации с последующей закалкой и отпуском. В этом случае шпиндели изготовляют из сталей марок 18ХГТ, 12ХНЗА и 20Х. Шпиндели, устанавливаемые в подшипниках жидкостного трения, должны иметь высокую твердость и низкую шероховатость рабочих шеек (0,08...0,04 мкм). Основной метод упрочнения шпинделей этой группы – азотирование до твердости 63...68 HRC. Рекомендуемые в качестве материала шпинделя стали типа 38ХВФЮА обеспечивают высокую стойкость азотированной поверхности против задиров. Для азотируемых шпинделей большого диаметра целесообразно использовать сталь марки 38ХЮ. Применение сталей с повышенным или высоким содержанием углерода, типа 50, У8А, ШХ15, допускается для шпинделей тяжелых станков. Рабочие шейки и посадочные поверхности в этом Изм. Лист № докум. Подпись Дата Лист 8 случае упрочняют поверхностной закалкой с помощью индукционного нагрева до твердости 54...62 HRC. Шпиндели относительно небольшого диаметра (до 70... 80 мм) изготовляют из цементируемых сталей марок 18ХГТ и 12ХНЗА; рабочие поверхности цементируют и закаливают до твердости 56...60 HRC. В отдельных случаях полые шпиндели большого диаметра целесообразно изготовлять из серого чугуна СЧ15, СЧ21 или высокопрочного чугуна с шаровидным графитом [4]. В зависимости от серийности в качестве заготовок для шпинделей применяют поковки, реже стальные отливки, прутковый материал и трубы. Заготовки чугунных полых шпинделей получают центробежным литьем в металлические формы. В качестве заготовок в единичном и мелкосерийном производстве применяют прокат или поковки, получаемые свободной ковкой. В этом случае имеют место большие припуски и огранка на обрабатываемых поверхностях, что затрудняет выполнение обработки на настроенных станках. В результате получают низкий коэффициент использования материала (0,3 ... 0,5). Таким методом получают обычно заготовки для стальных шпинделей и для пинолей задних бабок тяжелых станков. В производстве с более крупными сериями выпуска заготовки стальных шпинделей получают горячей высадкой на горизонтально-ковочных машинах или ковкой на ротационно- ковочных машинах. В первом случае расход металла по сравнению со свободной ковкой сокращается на 20% и коэффициент использования металла для шпинделя токарного станка составляет 0,5…0,7. Во втором случае коэффициент использования металла повышается до 0,8. При этом значительно снижается трудоемкость механообработки обработки шпинделей. Все заготовки шпинделей, полученные литьем, ковкой или штамповкой, перед механической обработкой подвергают термической обработке (нормализации, улучшению), что обеспечивает выравнивание внутренних напряжений. Термическая обработка шпинделей после черновых операций – нормализация или улучшение, а после чистовой обработки – цементация, закалка или азотирование. Нормализацию применяют для снятия остаточных напряжений, которые появляются после удаления поверхностного слоя металла. Улучшение дает мелкозернистую структуру и хорошую обрабатываемость, так как снижает вязкость [6]. В таблице 1 приведены механические характеристики наиболее применяемых для изготовления деталей машин сталей [5]. Таблица составлена технологами термического цеха крупного предприятия для использования в практической работе и позволяет быстро и Изм. Лист № докум. Подпись Дата Лист 9 правильно назначить соответствующий режим термической обработки для 30-ти марок стали наиболее применяемых в машиностроении. Таблица 1 Механические характеристики некоторых марок сталей и виды их термообработки Согласно полученному заданию необходимо выбрать стали для шпинделей токарных и шлифовальных станков с учетом того, что шпиндели работают в условиях износа, которые, кроме того, должны обеспечить высокую точность обработки. Деформация шпинделей Изм. Лист № докум. Подпись Дата Лист 10 шлифовальных станков при окончательной термической обработке должна быть минимальной. Оба шпинделя должны иметь повышенную износостойкость. Для обеспечения основных требований необходимо применять материал, обеспечивающий высокий уровень: жесткости; износостойкости; циклической прочности. Проанализировав теоретический материал, и руководствуюямь таблицей 1 считаю, что для шпинделя токарного станка подойдет сталь 20Х, циментуемая, а для шпинделя шлифовального станка сталь 20ХН3А, циментуемая. Рассмотрим подробнее их химические, технологические и механические свойства [3]. 20Х (заменители: 15Х, 20ХН, 12ХН2, 18ХГТ) – сталь конструкционная легированная, хромистая. Применение: втулки, шестерни, обоймы, гильзы, диски, плунжеры, рычаги и другие цементуемые детали, к которым предъявляются требования высокой поверхностной твердости при невысокой прочности сердцевины, детали, работающие в условиях износа при трении. Таблица 2 Химический состав в % матер иала сталь 20Х, ГОСТ 4543-71 Таблица 3 Технологические свойства материала сталь 20Х Таблица 4 Механические свойства при Т=20 o С материала 20Х Температура критических точек: Ac1 = 750 , Ac3(Acm) = 825. 20ХН3А (заменители: 20ХГНР, 20ХНГ, 38ХА, 15Х2ГН2ТА, 20ХГР) – сталь конструкционная легированная, хромоникелевая. Применение: шестерни, валы, втулки, силовые шпильки, болты, муфты, червяки и другие цементуемые детали, к которым предъявляются требования высокой прочности, пластичности и вязкости сердцевины и высокой поверхностной твердости, работающие под действием ударных нагрузок и при отрицательных температурах. Изм. Лист № докум. Подпись Дата Лист 11 Таблица 5 Химический состав в % материала сталь 20ХН3А, ГОСТ 4543-71 Таблица 6 Технологические свойства материала сталь 20ХН3А Таблица 7 Механические свойства при Т=20 o С материала 20ХН3А Температура критических точек материала 20ХН3А Ac1 = 730 , Ac3(Acm) = 810. Как можно увидеь их справочных таблиц механические свойства стали 20ХН3А выше, чем у стали 20Х. Изм. Лист № докум. Подпись Дата Лист 12 2. Разработка технологического процесса термической обработки стали Вид термической обработки и ее режим зависят от выбранной марки стали и требований, предъявляемых к шпинделю. Цель термической обработки — повышение износостойкости исполнительных поверхностей шпинделя, поверхностей опорных шеек и некоторых других поверхностей шпинделя с сохранением «сырой» сердцевины (центральной части материала). Последнее позволяет значительно уменьшить коробление, обеспечивая сохранение первоначально-полученной высокой точности шпинделя в процессе длительного времени его эксплуатации. Эффективным методом термической обработки шпинделей является поверхностная закалка. Термическая обработка не должна вызывать заметных деформаций и искривления шпинделя. Указанные выше поверхности подлежат закалке и последующему отпуску для достижения твердости HRCэ 46,5...57 шпиндели, работающие в опорах скольжения, закаливают и до более высокой твердости. После термической обработки поверхности необходимо промыть и очистить от возможной окалины. Поверхностную закалку можно производить несколькими способами. Поверхностная закалка с нагревом ТВЧ в последнее время получила наибольшее распространение. Преимущество ее заключается в кратковременности нагрева (0,5 ... 20 с) поверхностного слоя металла, который подвергается закалке, в то время как остальная часть металла остается не нагретой, а это почти предотвращает деформирование заготовки, На закаливаемой поверхности почти отсутствует окалина. Это позволяет оставлять на отделочные операции можно незначительные припуски. Глубина закаливаемого слоя 1 ... 5 мм, а его твердость выше, чем после закалки другими способами. Нагрев закаливаемой поверхности осуществляются при вращении шпинделя с помощью специальных кольцевых индукторов, охватывающих нагреваемый участок. Затем с помощью распыляемой жидкости осуществляют охлаждение закаливаемого участка. Продолжительность закалки наружных поверхностей шпинделя, при напряжении 11 В и силе тока на аноде 9 А, составляет 50 с. Последующий отпуск поверхности шпинделя можно также выполнять на установке ТВЧ или в шахтных печах. В последнем случае шпиндель нагревают и выдерживают в течение 2,5 ч при температуре 180 °С. Поверхностная закалка азотированием. Этим способом закаливают шпиндели, изготовленные из сталей 38Х2Ю, 38Х2МЮА и других, содержащих алюминий. Азотированию Изм. Лист № докум. Подпись Дата Лист 13 подвергают обычно шпиндели, работающие в опорах скольжения, когда стремятся добиться минимальной деформации при закалке. Так как эта обработка протекает при сравнительно низкой температуре (550 ... 500 °С), при которой не происходят фазовые превращения металла, то заметных деформаций не наблюдается. Твердость же закаленной поверхности достигает HRCэ 67 ... 69. Вследствие незначительной деформации шпинделя, с одной стороны, и трудности обработки азотированного слоя металла, с другой, поверхности, подлежащие азотированию, предварительно шлифуют, оставляя небольшой припуск (0,05 ... 0,06 мм) на последующую отделочную операцию шлифования мелкозернистым абразивным кругом и полирование. Процесс азотирования в целом не представляет сложностей, однако продолжительность его составляет несколько часов. Цементация. Это процесс химико-термической обработки, представляющий собой диффузионное насыщение поверхностного слоя стали углеродом при нагреве в соответствующей среде. Цель цементации - получить высокую поверхностную твердость и износостойкость при вязкой сердцевине, что достигается обогащением поверхностного слоя стали углеродом в пределах 0,8-1,0% и последующей термической обработкой. Цементации подвергают детали, изготовленные из конструкционных углеродистых и легированных сталей с низким содержанием углерода (обычно до 0,25%). Содержание углерода уменьшается от поверхности к сердцевине. Изменение содержание углерода по глубине приводит к получению трех зон: заэвтектоидной (перлит + цементит), эвтектоидной (перлит) и доэвтектоидной (феррит + перлит). 2.1. Шпиндель токарного станка. Для шпинделя токарного станка приняли конструкционную легированную хромистую сталь 20Х. Согласно типовым режимам термической обработки сталей, таблица 8 [5], рекомендуемые режимы обработки для стали 20Х: цементация, закалка, низкий отпуск. 1. Общее время нагрева (время нагрева и выдержки) деталей при закалке берётся из расчёта 1 минута на 1,5 мм наименьшего размера наибольшего сечения. В соляных ваннах - 35 секунд на 1 мм наименьшего размера наибольшего сечения. 2. Общее время нагрева (время нагрева и выдержки) деталей при отпуске берётся из расчёта: Изм. Лист № докум. Подпись Дата Лист 14 а) низкий отпуск (температура 130…240 ⁰С) -- 3 минуты на 1 мм наименьшего размера наибольшего сечения, но не менее 30 - 40 минут. б) средний отпуск (температура 240...450 5) -- 2 - 3 минуты на 1 мм наименьшего размера наибольшего сечения. в) высокий отпуск (температура 450...700 ⁰С) -- 2 минуты на 1 мм наименьшего размера наибольшего сечения. 3. Окончательный контроль термической обработки деталей вести по фактической твёрдости [5]. Таблица 8 Типовые режимы термической обработки стали 20Х Режимы обработки стали 20Х 1. Цементация (газовая): 900-950 ⁰С, охлаждение на воздухе; Время выдержки: 1,5-2 часа 2. Закалка: 800-820 ⁰С, охлаждение в масле. Время выдержки: 90 мин. 3. Низкий отпуск: 180-200 ⁰С, охлаждение на воздухе, выдержка 150 мин. Уменьшение закалочных напряжений и повышение сопротивления хрупкому разрушению. Твердость HRC 59-63 (структура мартенсит). Сердцевина не упрочняется, так как в ней сохраняется структура феррит + перлит. 1.Цементация Цементация – процесс химико-термической обработки, представляющий собой диффузионное насыщение поверхностного слоя стали углеродом при нагреве в соответствующей среде. Цель цементации - получить высокую поверхностную твердость и износостойкость при вязкой сердцевине, что достигается обогащением поверхностного слоя стали углеродом в пределах 0,8-1,0% и последующей термической обработкой. Цементации подвергают детали, Изм. Лист № докум. Подпись Дата Лист 15 изготовленные из конструкционных углеродистых и легированных сталей с низким содержанием углерода (обычно до 0,25%). Содержание углерода уменьшается от поверхности к сердцевине. Изменение содержание углерода по глубине приводит к получению трех зон: заэвтектоидной (перлит + цементит), эвтектоидной (перлит) и доэвтектоидной (феррит + перлит). Применим для шпинделя из стали 20Х газовую цементацию. При газовой цементации поверхностный слой стали насыщается углеродом при нагреве в атмосфере углеродосодержащих газов: метана, керосина, бензола и др. Применяют для массового производства мелких деталей. Детали нагревают в специальных печах, в которые непрерывным потоком подают цементирующий газ, получаемый при разложении нефтепродуктов. Время выдержки при газовой цементации в два раза меньше, чем в твердом карбюризаторе. При газовой цементации легко и удобно регулировать состав и количество подаваемого газа, это сокращает продолжительность цикла и снижает стоимость обработки. При изготовлении шпинделей из цементирующихся сталей цементация производится после чистовой обработки. 2.Закалка и отпуск. Закалка стали – это термическая обработка стали, которая применяется для получения максимально возможной твердости и прочности стали. В зависимости от температуры нагрева закалку называют полной и неполной. При полной закалке происходит полное фазовое превращение т.е. сталь при нагреве переводят в однофазное аустенитное состояние. Полной закалкой подвергают доэвтектоидные стали, нагревая их выше критической температуры GS (Ас3) на 30-50 °С, выдержке и последующем охлаждении со скоростью, превышающей критическую. При комнатной температуре структура стали 20Х состоит из перлита и феррита. При нагреве стали 20 от комнатной температуры до температуры критической точки Ас1 (727ºС) в ней не проходят превращения. При температуре критической точки Ас1 происходит превращение перлита (эвтектоидной смеси феррита и цементита) в аустенит. Схема превращения: П→А. При дальнейшем нагревании от температуры Ас1 до Ас3 будет происходить превращение феррита в аустенит. Превращение закончится при достижении температуры критической точки Ас3. При температуре выше критической точки Ас3 сталь 20Х будет находится в однородном аустенитном состоянии. Изм. Лист № докум. Подпись Дата Лист 16 Охлаждение стали при закалке производят с большой скоростью (несколько сотен градусов в секунду). При такой высокой скорости охлаждения диффузия углерода в кристаллической решетке железа произойти не успеет, а кристаллическая решетка Ƴ- железа, путем сдвига атомов железа друг относительно друга на расстоянии меньше межатомных, перестраивается в α-железо. Так как диффузия атомов углерода и железа отсутствует, т.е. процесса является бездиффузионным, то содержание углерода в решетке α-железа будет равно содержанию углерода в решетке Ƴ- железа аустенита в результате чего решетка α- железа оказывается пересыщенной углеродом, деформируется и становится тетрагональной. Эта новая фаза с тетрагональной кристаллической решеткой железа называется мартенситом. Мартенсит – это пересыщенный твердый раствор внедрения углерода в α-железо. Мартенсит имеет высокую твердость, в основном, из-за пересыщения решетки α-железа углеродом и его твердость возрастает с увеличением содержания углерода. Детали из стали 20Х после цементации подвергаем однократной закалке с температуры 800-820 °С (выше точки Ас1 но ниже точки Ас3 сердцевины). Такой закалкой достигается измельчение зерна цементованного слоя и частичная перекристаллизация и измельчение зерна сердцевины. 3. Общее время нагрева под закалку складывается из времени нагрева до заданной температуры (τн) и времени выдержки при этой температуре (τв), следовательно τобщ = τн + τв. Расчет проводят по формуле τн = 1,5∙D1, где D1 – размерная характеристика изделия (мм) – минимальный размер максимального сечения (т.е. для детали находят максимальное поперечное сечение и в нем - минимальный размер. Это и будет характеристический размер D1; τн =1,5∙50=75 мин τв=0,2∙ τн=0,2∙75=15 мин τобщ=75+15=90 мин. Общее время нагрева детали под закалку составляет 90 мин. Время нагрева при отпуске 3 минуты на 1 мм наименьшего размера наибольшего сечения, но не менее 30 - 40 минут: 3*50=150 мин. Изм. Лист № докум. Подпись Дата Лист 17 Таблица 9 Механические свойства стали 20Х Шпиндель шлифовального станка. Для шпинделя шлифовального станка принимаем конструкционную легированную хромоникелевую сталь 20ХН3А. Эта сталь является незаменимой для создания силовых элементов различных конструкций, а также высоконагруженных деталей и механизмов машин. При полной прокаливаемости сталь имеет лучшие механические свойства, особенно сопротивление хрупкому разрушению, низкий порог хладноломкости, высокое значение работы развития трещины и вязкость разрушения. Сталь 20ХН3А малочувствительна к перегреву при длительной цементации и не склонна к пересыщению поверхностных слоев углеродом. Большая устойчивость переохлажденного аустенита в области перлитного превращения обеспечивает высокую прокаливаемость хромоникелевой стали. Критический диаметр при закалке в масле 25-70 мм. После цементации и закалки в масле сердцевина детали имеет структуру низкоуглеродистого мартенсита, что обеспечивает сочетание повышенной прочности сердцевины ( 𝜎в = 800 - 1300МПа) и вязкости. Хромоникелевые стали обладают большой прокаливаемостью, поэтому имеют высокие прочностные свойства. Благодаря значительному количеству легирующих примесей, гораздо легче получить при термической обработке более высокую прочность и вязкость сердцевины из-за образования в ней структур бейнита или низкоуглеродистого мартенсита. Поэтому из них изготовляют ответственные детали. Хромоникелевая сталь 20ХН3А мало чувствительна к перегреву, хорошо прокаливается. Рис. 4. Микроструктура мартенсита Изм. Лист № докум. Подпись Дата Лист 18 Цементация и двойная заклка с низким отпуском поковок из стали 20ХН3А. 1. Цементация проводится при температуре 920-950°С, и достаточно большой выдержке, необходимой для выравнивания температуры по всему объему. При изготовлении шпинделей из цементирующихся сталей цементация производится после чистовой обработки. Для деталей небольшогь размера проводится газовая цементация. Детали нагревают в специальных печах, в которые непрерывным потоком подают цементирующий газ, получаемый при разложении нефтепродуктов. Температура газовой цементации 920…950 °C. Время выдержки 4-5 часов. 2. Двойная закалка: – закалка с температуры 860-880° С (выше точки Ас3 сердцевины) - для измельчения структуры сердцевины и устранения цементитной сетки в поверхностном слое; Время нагрева: τн = 1,5∙D1=1,5∙50=75 мин. Время выдержки τв=0,2∙τн=0,2∙75= 15 мин. τобщ=75+15=90 мин. Время выдержки 1,5 часа. Охлаждающая среда – масло. При закалке с охлаждением в масле (а не в воде, как это требуется для углеродистой стали) возникают меньшие напряжения, а следовательно, и меньшая деформация. После закалки сталь имеет структуру мартенсит и твердость не ниже 50 HRC. – закалка с 760-780°С - для измельчения структуры цементованного слоя и придания ему высокой твердости. Охлаждение в масле. 3. Низкий отпуск при температуре 180-200°С для уменьшения закалочных напряжений и повышения сопротивления хрупкому разрушению. Время выдержки при нагреве под низкий отпуск (с момента прогрева детали): – 2,5…5 часов; Для предупреждения отпускной хрупкости, к которой чувствительны стали с хромом (марганцем), деталь после нагрева следует охлаждать на воздухе. Структура стали: мартенсит отпуска. Механические свойства стали 20ХН3А после т/о предствалены в таблице 10 [8]. Таблица 10 Изм. Лист № докум. Подпись Дата Лист 19 Изм. Лист № докум. Подпись Дата Лист 20 Выводы При выполнении работы был сделан аналитический обзор, который содержит данные необходимые для выбора материала (марки стали) для изготовления шпинделей токарного и шлифовального станков. Детально описаны требования к материалу и причины разрушения. В работе приведена технология химико-термической обработки (цементация, закалка с последующим низким отпуском), которая обеспечивает получение заданных в условии механических свойств. В результате выполнения работы для изготовления шпинделей были выбраны материалы сталь 20Х для шпинделя токарного станка и сталь 20ХН3А, для изготовления шпинделя шлифовального станка, соответствующие поставленным условиям. Детально рассмотрены режимы химико-термической обработки для получения заданных условий, влияние легирования на превращения, происходящие на всех стадиях термической обработки. Изм. Лист № докум. Подпись Дата Лист 21 Список использованной литературы 1. Солнцев Ю.П., Пряхин Е.И. Материаловедение. Учебник для вузов. – СПб.: ХИМИЗДАТ, 2007. – 784 с. 2. Арзамасов В.Б., Черепахин А.А. Материаловедение. Учебник. – М.: Экзамен, 2009. – 352 с.: ил. 3. Марочник стали и сплавов – URL: http://splav-kharkov.com/choose_type.php. 4. Оськин В.А., Байкалова В.Н., Карпенков В.Ф. Практикум по материаловедению и технологии конструкционных материалов: Учебное пособие для вузов (под ред. Оськина В.А., Байкаловой В.Н.) . – М.: КолосС, 2007. – 318 с.: ил. 5. Типовые режимы термической обработки сталей (Таблица) – URL: https://infotables.ru/promyshlennost-i-mashinostroenie/107-tablitsa-tipovye-rezhimy- termicheskoj-obrabotki-stalej#hcq=RyKcvUr 6. Шмыков А.А.Справочник термиста: Издание второе / А.А. Шмыков – М.: Книга по Требованию, 2012. – 290 с.ISBN 978-5-458-42195-9 7. Центральный металлический портал РФ. Сталь 20Х. – http://metallicheckiy- portal.ru/marki_metallov/stk/20Х 8. Центральный металлический портал РФ. Сталь 20ХН3А. – http://metallicheckiy- portal.ru/marki_metallov/stk/20XH3A Карта технологического процесса ХТО стали 20Х Карта технологического процесса термообработки Марка и состав стали: сталь конструкционная легированная, хромоникелевая Текст задания Выбрать стали для шпинделей токарных и шлифовальных станков с учетом того, что шпиндели работают в условиях износа, которые, кроме того, должны обеспечить высокую точность обработки. Деформация шпинделей шлифовальных станков при окончательной термической обработке должна быть минимальной. Оба шпинделя должны иметь повышенную износостойкость. Указать структуру выбранной стали и твердость поверхностного слоя и сердцевины после окончательной обработки. Марка 20Х Химический состав: Механические свойства: HB 10 -1 = 131 МПа, σ в =780 МПа, σ т = 635 МПа Исходная структура: феррит+перлит Номер операции Наименование операции Структура после каждой т/о Температура операции, ⁰С Время выдержки, мин Среда охлаждения Механические свойства в готовом состоянии 1 цементация перлит + цементит 900-950 1,5-2 часа воздух σ в =930 МПа, σ т = 790 МПа КСУ=0,49 МДж/м 2 2 закалка игольчатый мартенсит 800-820 90 масло 3 низкий отпуск сорбит 180-200 150 воздух Поверхностный слой: перлит+цементит Твердость HRC 59-63 Глубина: сердцевина HRC 32-45 Карта технологического процесса ХТО стали 20ХН3А Карта технологического процесса термообработки Марка и состав стали: сталь конструкционная легированная, хромоникелевая Текст задания Выбрать стали для шпинделей токарных и шлифовальных станков с учетом того, что шпиндели работают в условиях износа, которые, кроме того, должны обеспечить высокую точность обработки. Деформация шпинделей шлифовальных станков при окончательной термической обработке должна быть минимальной. Оба шпинделя должны иметь повышенную износостойкость. Указать структуру выбранной стали и твердость поверхностного слоя и сердцевины после окончательной обработки. Марка 20ХН3А Химический состав: Механические свойства: HB 10 -1 = 177 МПа, σ в =610 МПа, σ т = 435 МПа Исходная структура: феррит+перлит Номер операции Наименование операции Структура после каждой т/о Температура операции, ⁰С Время выдержки, мин Среда охлаждения Механические свойства в готовом состоянии 1 цементация перлит + цементит 920-950 14-5 часов воздух σ в =830 МПа, σ т = 690 МПа КСУ=0,69 МДж/м 2 2 закалка игольчатый мартенсит 860-880 90 масло 3 закалка игольчатый мартенсит 760-780 90 масло низкий отпуск Мартенсит отпуска 180-200 2,5…5 часа воздух Поверхностный слой: перлит+цементит Твердость HRC 59-63 Глубина: сердцевина HВ 240 |