Нитроцементация шестерн с m = 4 из стали 20ХГНР

Министерство образования науки РФ

ФГБОУ ВПО “Волгоградский Государственный Технический Университет”

Факультет подготовки инженерных кадров

Кафедра “Технология материалов”

 

 

 

 

Дисциплина: “Химки термическая обработка ”

Семестровая работа по теме:

''Нитроцементация шестерн с m = 4 из стали 20ХГНР''

 

 

 

                                              

 

 

     Подготовил: Студент группы МЛВ-469

                                                                                             А. В. Пригарин

                                             Проверил:   к.т.н. Доцент Л. В. Палаткина

 

 

 

 

                                            Волгоград 2015

Оглавление:

1. Оглавление                                                                                             Стр.2
2. Введение                                                                                                 Стр.3
3. Обоснование выбора ХТО                                                                    Стр.5
4. Уровнение диффузии                                                                            Стр.9
5. Приспособление для нитроцементации шестерен                            Стр.12

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Введение.

  Зубча́тое колесо́ или шестерня́ — основная деталь зубчатой передачи в виде диска с зубьями на цилиндрической или конической поверхности, входящими в зацепление с зубьями другого зубчатого колеса. В машиностроении принято малое зубчатое колесо с меньшим числом зубьев называть шестернёй, а большое — колесом. Однако часто все зубчатые колёса называют шестерня́ми.

      Требования предъявляемые к шестерни коробки передач: 
высокая износостойкость, бесшумность в работе, высокая контактная и изгибающая выносливость. В эти требования можно также включить высокую технологичность и низкую себестоимость. Все требования должны быть выполнены в процессе производства детали.

Высокая износостойкость, контактная и изгибающая выносливость, получена, применением легированной стали 20ХГНР при соответствующей термической обработке, которая образует тонкий поверхностный слой высокой прочности и чем выше твёрдость рабочей поверхности зубьев, тем выше допустимые контактные напряжения и тем меньше размеры передачи, что в свою очередь также немаловажно, т.к. снижается материалоемкость изделия. 
 
Наиболее важными поверхностями шестерни являются зубчатые венцы и посадочное отверстие. От точности и шероховатости этих поверхностей зависит работа всего узла. Наличие геометрических неточностей может привести к несобираемости или заклиниванию передачи. Не выполнение требований, предъявляемых к шероховатости, приводит к появлению задиров, что в свою очередь приводит к выходу из строя всего узла. Работоспособность венца обеспечивается: 
 
1) высокой твёрдостью поверхностного слоя, необходимой для увеличения сопротивления и для предотвращения усталостного выкрашивания рабочих поверхностей зуба; 
 
2) прочностью на изгиб зубьев, при одновременно высокой вязкости их сердцевины для противостояния ударным нагрузкам. 
 
Высокие механические свойства зубчатого венца и их дифференциация достигается, изготовлением колес из легированной стали, подвергаемой 
 
соответствующей химико-термической обработке: нитроцементации с последующей закалкой и отпуском.

Рисунок 1 Шестерня: а) состав шестерни, б) размеры и соотношения зуба и шестерни.

 

Рисунок 2 Параметры зубчатого колеса

Технологические свойства материала 20ХГНР .

Свариваемость:	ограниченно свариваемая.
Флокеночувствительность:	чувствительна.
Склонность к отпускной хрупкости:	склонна.

 

 
 
Механические свойства при Т=20oС материала 20ХГНР .

Сортамент	Размер	Напр.	sв	sT	d5	y	KCU	Термообр.
-	мм	-	МПа	МПа	%	%	кДж / м2	-
Пруток	Ø 25		1420	1370	14	60	1080	Нормализация 930oC, воздух, Закалка 840oC, масло, Отпуск 200oC, воздух,
Пруток	Ø 50		1200	1110	12	62	1470	Нормализация 930oC, воздух, Закалка 840oC, масло, Отпуск 200oC, воздух,
Пруток, ГОСТ 4543-71	Ø 15		1270	1080	10	50	880	Закалка и отпуск

 

 

Твердость   20ХГНР   после отжига ,             ГОСТ 4543-71

HB 10 -1 = 197   МПа

 

 

Обоснование выбора ХТО

ХТО применяется для изготовления деталей машин, у которых поверхность в результате трения подвергается износу и одновременно на них действуют и динамические нагрузки. Для успешной работы в этих условиях поверхностный слой детали должен иметь твёрдость HRC 58 … 62, а сердцевина обладать высокой вязкостью и повышенным пределом текучести при твёрдости HRC 30 … 42.

Химико-термической обработкой называют поверхностное насыщение стали соответствующим элементом (например, углеродом, азотом, алюминием, хромом и др.) путем его диффузии в атомарном состоянии из внешней среды при высокой температуре.

Процесс химико-термической обработки включает три элементарные стадии:

1. Выделение диффундирующего  элемента в атомарном состоянии  благодаря реакциям, протекающим  во внешней среде; 2. Контактирование атомов диффундирующего элемента с поверхностью стального изделия и проникновение (растворение) их в решетку железа (адсорбция); 3. Диффузия атомов насыщающего элемента в глубь металла.

Толщина проникновения (диффузия) зависит от температуры и продолжительности насыщения.

 

 

 

 

Рисунок 3 Зависимость толщины диффузионного слоя от продолжительности насыщения (а), температуры (б) и изменение концентрации по толщине диффузионного слоя (в).

В мире существует много видов Химико – термических обработок: цементаци, нитроцементация, азотирование, цианировани, алитирование, хромирование, силицирование, борирование, сульфидирование, сульфоцианирование. 

     На  основе проведённого анализа  был выбран такой вид химической  термообработки как нитроцементация.

     Нитроцементацией называется процесс насыщения поверхности стали одновременно углеродом и азотом при 700 – 950 в газовой среде, состоящей из науглероживающего газа и аммиака. Наиболее часто нитроцементация проводится при 850 - 870.

Таблица  1  Коэффициенты диффузии C и N при нитроцементации ( Б. Преженосил)

Температура,	Нитроцементация		Цементация
850 900 950	,/с	, /c	,/c	нитроцементация/цементация
	0.3 0,6 1,08	0,38 0,75 1,17	0.17 0.38 0,87	2.24 1,97 1,38

 

 

После нитроцементации следует закалка в масло с повторного нагрева или непосредственно  из нитроцементационной печи с температуры насыщения или подстуживания. Для уменьшения деформации рекомендуется применять ступенчатую закалку с выдержкой в горячем масле 180 - 200

            Процесс нитроцементации получил широкое распростронение в машиностроении для деталей, по условиям работы которых достаточна толщина упрочнённого слоя 0,2 – 1.0 мм. На ВАЗе 94.5 деталей, упрочняемых ХТО, подвергают нитроцементации. Например , нитроцементация широко применяется для упрочнения зубчатых колёс. В этом случае эффективная толщина слоя (до HV 600) шестеренс модулем 1,5 – 3,5 мм принимается 0,3 0,1, а при модуле 4,0 – 5,5 - 0,41.

             По сравнению с цементацией  нитроцементация имеет ряд существенных преимуществ. При легировании аустенита азотом снижается температура превращения. Что позволяет вести процесс насыщения при более низких температурах. Одновременно в присутствии азота резко возрастает диффузионная подвижность углерода в аустените С повышением температуры эффект ускорения уменьшается ( табл.  1 ).

          Несмотря  на значительно более низкую  температуру насыщения, скорость  роста диффузионного слоя при  цементации ( 930 - 950 ) и нитроцементации ( 840 – 860 ) на толщину 0,5 – 0,8 мм практически одинакова. Производственный цикл принитроцементации  по сравнению с цементацией сокращается на 50 – 60

            Понижение температуры насыщения, без увеличения длительности  процесса, позволяет снизить деформацию  оборудования и уменьшить время  на подстуживание перед закалкой.

             Для газовой цементации и нитроцементации применяют практически одинаковое оборудование – шахтные, камерные и проходные печи.

              Структура и свойства нитроцементированого слоя.

             При оптимальных условиях насыщения  структура нитроцементаци-онного слоя должна состоять из мартенсита, небольшого количества карбонитридов и некоторого количества остаточного аустенита (рисунок 4); структура  сердцевины  из троосбита, бейнита или малоуглелородистого мартенсита. В нитроцементованном слое нередко допускается повышенное количество остаточного аустенита, который обеспечивает хорошую прирабатываемость, например нешлифуемых автомобильных шестерн, что обеспечивает их бесшумную работу.                                                                               

Рисунок 4 Диффузионные процессы при Нитроцементации

          Стали  хромистые, хромованадиевые, хромоникелевые 20Х, 15ХФ, 20ХГНР и т. п. применяют  для изготовления деталей небольших  и средних размеров, работающих  на износ при повышенных нагрузках (втулки, валики, оси, мелкие зубчатые  колеса, кулачковые муфты, поршневые  пальцы и др.). Сталь 20ХГНР применяется: для изготовления зубчатых колес, вал-шестерней, червяков, кулачковых муфт, втулок и других ответственных деталей, работающих в условиях ударных нагрузок.Сталь конструкционная качественная хромомарганцовоникелевая с титаном и бором.

 

 

 

 

                                   Уравнения диффузии 
       Моделирование диффузионных процессов в металле основывается на первом 
 (1) 
   и втором уравнениях Фика: 
, (2) 
где ^ D – коэффициент диффузии; c – концентрация; t – время; x – координата. 
       Первое уравнение описывает удельный поток диффундирующего элемента в металле. Знак «минус» означает, что поток направлен из области с большей концентрацией в область с меньшей концентрацией. Второе уравнение Фика описывает изменение концентрации диффундирующего вещества c(x,t) в пространстве и во времени. Это уравнение непосредственно следует из баланса вещества при диффузии и выражения для потока. Оба уравнения описывают одномерную диффузию вдоль оси x, а коэффициент диффузии D не зависит от концентрации диффундирующего элемента и зависит только от температуры процесса, что является допущением, принимаемым для упрощения решения поставленной задачи.

  Начальные и граничные услови 
 
Для решения уравнения (2) аналитическим или численным методом необходимо задать начальные и граничные условия, определяемые из анализа процессов, происходящих при химико-термической обработке. Начальное распределение (при t=0) концентрации диффундирующего элемента в металле определяется условием: 
, (1) 
а в случае постоянной начальной концентрации: 
. (2) 
        Если рост диффузионного слоя контролируется диффузией в металле, то используется граничное условие 1-го рода:  
 (3) 
т.е. концентрация на поверхности детали cS (при x=0) является функцией времени или в частном случае: 
 (4) 
       Концентрация на поверхности детали определяется, как правило, экспериментальным путем. 
Иллюстрация для случая для потенциала среды 1,2%, времени выдержки 21600 с (6 ч). 
 
 
 
 
 
       Граничное условие 2-го рода используется, когда рост диффузионного слоя контролируется процессами, происходящими на поверхности металла, например, адсорбцией или химической реакцией. В этом случае при решении уравнения задается поток вещества через поверхность металла как функция времени. 
     Граничное условие третьего рода наиболее достоверно описывает реальный процесс массопереноса на поверхности металла при химико-термической обработке: 
, для x=0 (5) 
 
где k – константа скорости процесса, происходящего на поверхности детали.