Выбор металлического материала для изготовления шестерни и разработка режимов термической обработки

• Название: Выбор металлического материала для изготовления шестерни и разработка режимов термической обработки
• Дата: 14.09.2022
• Размер: 1.05 Mb.
• Имя файла: 14987_3.docx
• Тип: Документы; #676817

Выбор металлического материала для изготовления шестерни и разработка режимов термической обработки

Учитывая условия эксплуатации и встречающиеся на практике виды разрушений и износа, основную номенклатуру деталей, изготавливаемых из сталей, можно условно разделить на 3 группы. Детали группы 1, работающие в условиях износа: зубчатые колеса, вал-шестерни, шлицевые валы, звездочки, распределительные валы, кулачки, пальцы и т.п.

Материал детали должен обладать высокой твердостью и износостойкостью поверхностного слоя при вязкой и достаточно прочной сердцевине. Такие свойства обеспечивают так называемые цементуемые стали - низкоуглеродистые и легированные стали после цементации, закалки и низкого отпуска. Наиболее часто применяемые цементуемые стали и их свойства представлены в табл.1.
Таблица 1 - Свойства цементуемых сталей после цементации, закалки и низкого отпуска



1. Установление группы детали.

Шестерня, как элемент, работающий в условиях трения, относится к I группе деталей, должна изготавливаться из низкоуглеродистой или низколегированной цементуемой стали и подвергаться цементации, закалке и низкому отпуску.

2. Выбор марки цементуемой стали, исходя из величины допустимого напряжения.

Исходя из выполнения неравенств

σ_0,2(σ_Т) ≥ 1,6 [σ]_доп

и σ_в ≥ 2,4 [σ]_доп

σ_0,2(σ_Т) ≥ 1,6×400

σ_0,2(σ_Т) ≥ 640;

σ_в ≥ 2,4× 400;

σ_в ≥ 960.

Значение условного предела текучести (предела текучести) выбранной стали должно быть не менее 640 МПа, а предела прочности не менее 960 МПа. Такому требованию удовлетворяет:

- сталь марки 18ХГТ после цементации, закалки и низкого отпуска со значениями σ_0,2 и σ_в 900 МПа и 1000 МПа (табл. 1), соответственно;

- сталь марки 12ХН3А после цементации, закалки и низкого отпуска со значениями σ_0,2 и σ_в 850 МПа и 1000 МПа (табл. 1), соответственно.

3. Проверка выбранной марки стали на прокаливаемость.

Все детали из цементуемых сталей должны прокаливаться насквозь. Поэтому критический диаметр выбранной стали должен быть не меньше характерного размера (для нашего случая толщины) детали.

Для шестерни диаметром 60 мм требуется сталь с критическим диаметром закалки не менее 60 мм. Поскольку у стали 18ХГТ величина D_КМ = 20 – 40 мм (табл. 1) эта сталь для изготовления данной шестерни не подходит. У стали 12ХН3А величина D_КМ = 70 мм (табл. 1). Эта сталь для изготовления данной шестерни подходит. Химический состав стали 12ХН3А по справочным данным представлен в табл. 2.
Таблица 2 - Химический состав в % материала 12ХН3А ГОСТ 4543 – 71

C	Si	Mn	Ni	S	P	Cr	Cu
0.09 - 0.16	0.17 - 0.37	0.3 - 0.6	2.75 - 3.15	до   0.025	до   0.025	0.6 - 0.9	до   0.3

Расшифровка марки стали 12ХН3А: цифра 12 перед маркой стали говорит о том, что в ней содержится 1,2% углерода, Х - свидетельствует о небольшом содержании хрома менее 1,5%, а Н3 - о том что имеется никель в количестве 3%, буква А на конце обозначение сообщает, что это высококачественная чистая сталь с содержанием вредных примесей - серы и фосфора менее 0,025%. Таким образом, перед нами легированная высококачественная сталь.
4. Проверка стали на величину твердости.

Согласно заданию, поверхность шестерни должна иметь твердость не менее 50HRC. Согласно табл. 1, твердость поверхности деталей из стали 12ХН3А после цементации, закалки и низкого отпуска составляет 56-62HRC и, следовательно, с точки зрения обеспечения необходимой твердости, сталь 12ХН3А подходит.

5. Определение температурных и временных параметров окончательной термической обработки.

В соответствии с данными п. 2 за температуры операций химико-термической обработки принимаем:

- при цементации Т_Ц = 930⁰С,

- при закалке Т_З = 800⁰С,

- при низком отпуске Т_О = 200⁰С;

- закалочная среда - масло;

- итоговая твёрдость (HRCэ) 57…63.

Охлаждение детали после цементации и низкого отпуска проводим на спокойном воздухе (V_охл 3 ⁰С/с), после закалки - в масле (V_охл = 50⁰С/с).

Время нагрева до температуры цементации t_{н цем} примем равным времени нагрева под закалку t_{н зак} и определим по формуле, известной из курса лекций
t_{н цем} = t_{н зак} = К× D,
где К - коэффициент, равный для легированных сталей 75 с/мм,

D – характерный размер, соответствующий для данного случая диаметру детали (60 мм).
t_{н цем} = 75×60 = 4500 с = 75 мин
Время выдержки при цементации t_{в цем} рассчитаем, исходя из скорости цементации (V_ц = 0,1 мм/ч) и необходимой толщины цементованного слоя (δ_ц = 1,2 мм)
t_{в цем} = δ_ц / V_ц = 1,2 / 0,1 = 12 час = 720 мин

Время охлаждения после цементации (среда воздух)
t_{охл цем} = (Т_Ц - Т_комн) / V_охл = (930 - 20) / 3 = 303 с = 5,1 мин.
Время выдержки для осуществления процесса аустенизации перед закалкой
t_{в зак} = 0,2× t_{н зак} = 0,2× 25 = 5 мин
Время охлаждения детали в процессе закалки (в масле) от Т_З = 850⁰С до комнатной температуры Т_комн = 20⁰С
t_{охл зак} = (Т_З - Т_комн) / V_охл = (800 - 20) / 50 = 15,6 с = 0,26 мин.
Время нагрева детали до температуры низкого отпуска t_{н отп} и время необходимой выдержки при этой температуре t_{в отп} определим из формулы
t_{н отп} = t_{в отп} + δ,
где δ – характерный размер (для нашего случая толщина) детали, мм.
t_{н отп} = 120 + 60 = 180 мин.
Время охлаждения после низкого отпуска (среда воздух)
t_{охл отп} = (Т_О - Т_комн) / V_охл = (200 - 20) / 3 = 60 с = 1 мин.
6. Построение диаграммы окончательной термической обработки



Рисунок 1 - Диаграмма термической обработки стали 12ХН3А


СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ
1. Акулич Н. В. Материаловедение и технология конструкционных материалов. Мн. 2008. - 285 с.

2. Гелин Ф. Д., Чаус А. С. Металлические материалы. Мн., 2007. - 306 с.

3. Геллер Ю. А., Рахштадт А. Г. Материаловедение. − М.: Металлургия, 1975. − 447 с.

4. Дриц М. Е., Москалев М. А. Технология конструкционных материалов и материаловедение. М.: Металлургия. 1990. – 255 с.

5. Конструкционные материалы: Справочник/Под ред. Арзамасова Б.Н. – М.: Машиностроение, 1990. – 687 с.