Выбор материала, обоснование видов и разработка режимов термической обработки зубчатых колес

 

4.2. Окончательная термическая  обработка

Операция окончательной термической  обработки выбираются в зависимости  от технических требований к заданной детали. Так как  по техническим  требованиям необходима  высокая  твёрдость и контактная выносливость, выбираем, с учётом марки стали  следующие операции: цементация, высокий отпуск, закалка в масле, обработка холодом и низкий отпуск.

 

 

 

 

 

Цементация.

Цементация - процесс  насыщения поверхностного слоя стали  углеродом с целью повышения прочности, твёрдости и износостойкости поверхностного слоя.

За глубину цементованного слоя принимают расстояние от поверхности  до переходной зоны.

Различают следующие виды цементации: цементация с применением твёрдого карбюризатора; газовая цементация с применением жидкого или газового карбюризатора.

Наиболее перспективной является газовая цементация. По сравнению с цементацией в твёрдом карбюризаторе она имеет следующие преимущества: значительно сокращается длительность процесса благодаря быстрому нагреву детали; возрастает пропускная способность оборудования, что ведёт к повышению производительности труда; улучшаются условия труда; появляется возможность автоматизации процесса.

Газовая цементация может  проводиться с применением жидкого  и газового карбюризатора. В качестве жидкого карбюризатора, как правило, применяется синтин, а в качестве газового - эндогаз.

Синтин получают из окиси углерода и водорода, образующихся при переработке  твёрдого топлива. Синтин - это бесцветная жидкость, содержащая 90% парафиновых  предельных углеводородов. Скорость цементации при применении синтина повышается на 20% и на 50% понижается выделение сажи и кокса.

В шахтных печах жидкий карбюризатор подаётся каплями, а имеющийся вентилятор создаёт движение газового потока, и цементация протекает равномерно. Для уменьшения сажеобразования карбюризатор подают топливным насосом через форсунки в распылённом состоянии. Оптимальный расход синтина составляет 0,8л газа на 1см³. Состав образующегося газа: СО 20...28%, Н2 55...75%, СН4 2...5%. Режим подачи синтина при насыщении определяют опытным путём [4].

Для легированных сталей температура  цементации применяется выше точки  Ас3, когда устойчив аустенит, способный  растворить в больших количествах  углерод. Для стали 12Х2Н4А имеющей точку Ас3 равной 840°С оптимальной температурой цементации является 960°С.

При использовании жидкого  карбюризатора эффективно применять  комбинированный цикл насыщения для получения на поверхности цементованного слоя содержания углерода в пределах 0,8...1%.

 

Общее время пребывания детали в печи:

,

где - время нагрева; - время выдержки; - время охлаждения.

Принимаем равным 1 час.

Время выдержки при цементации зависит  от температуры нагрева, вида карбюризатора, особенностей стали и требуемой глубины слоя. В данном случае цементацию проводят в газе, получаемом при разложении синтина, при температуре 960°С. Для получения слоя  глубиной 1,0...1,6 мм время выдержки составляет 5 часов:

ч

Охлаждение после цементации проводим на воздухе.

 

Высокий отпуск.

Отпуск - это операция термической обработки стали, заключающаяся  в нагреве стали до температуры  ниже Ас1, выдержке при заданной температуре  и последующем охлаждением с определённой скоростью.

Для сталей, содержащих свыше 2% никеля, непосредственная закалка  с подстуживанием не может применятся, так как при этом в слое образуется значительное количество остаточного  аустенита, снижается твердость  до HRC48-56, уменьшается предел выносливости.

Для снижения количества остаточного аустенита применяют высокий отпуск после цементации перед закалкой с нагревом до 600-650ºС с выдержкой в течении 2-6 ч. При этом происходит выделение и укрупнение карбидов, в них повышается содержание легирующих элементов. Это приводит к уменьшению степени легирования аустенита, образующегося при последующем нагреве под закалку. Вследствие этого температуры критических точек мартенситного превращения Мн и Мк повышаются, что приводит к снижению в цементованном слое после закалки содержания остаточного аустенита. Для  стали 12Х2Н4А температура выдержки не должна превышать 630ºС, так кА при большей температуре аустенит становится весьма устойчивым [2].

Расчёт времени нагрева  и выдержки при высоком отпуске.

Время нагрева при  отпуске зависит от температуры, нагревательной среды, формы и размеров детали. Для данного зубчатого  колеса, время нагрева при отпуске с температурой 630°С равно 22 мин.

Учитывая пониженную теплопроводность стали, увеличиваем  время нагрева на 50%:

.

Время выдержки определяем с учётом структурных превращений, которые должны произойти при  высоком отпуске цементованного изделия. Принимаем  равным 3ч:

 

 

 

 

 

 

Закалка.

Закалка - это операция термической обработки, заключающаяся в нагреве стали на 30-50°С выше критических точек Ас3 - для доэвтектоидных и Ас1 - для заэвтектоидных сталей и выдержке при этой температуре для завершения фазовых превращений и последующем охлаждении со скоростью выше критической. Сталь 12Х2Н4А является доэвтектойдной, критическая точка Ас3 равна 840°С, поэтому температура нагрева при закалке равна:

Оптимальной охлаждающей  средой при закалке для данной стали является масло, так как оно быстро охлаждает сталь в интервале температур минимальной устойчивости аустенита и замедлено в интервале температур мартенситного превращения, то есть при охлаждении в масле происходит одновременное мартенситообразование во всей детали, и снижается возможность образования закалочных трещин. В результате закалки прочность и твёрдость увеличиваются, а пластичность и вязкость снижается.

Структура после закалки: на поверхности мелкоигольчатый  мартенсит, с равномерно распределёнными карбидами и аустенит остаточный, в сердцевине - малоуглеродистый мартенсит [4].

 

Расчёт времени нагрева  и выдержки при закалке.

Для закалки общее  время пребывания детали в печи рассчитывается следующим образом:

,

где - время подогрева; - время выдержки при подогреве; - время окончательного  нагрева; - время выдержки при окончательном нагреве.

Время подогрева детали составляет:

Выдержка при подогреве  необходима для выравнивания температуры  по сечению детали. Время выдержки обычно принимают равным 25...30% от времени  нагрева. Тогда:

Однако такое значение времени выдержки при подогреве  недостаточно, так как данная сталь является легированной и имеет пониженную теплопроводность, поэтому  следует увеличить время выдержки, введя поправочный коэффициент равный 3, тогда принимаем время выдержки при подогреве равным 30мин.

Время окончательного подогрева

Найдём время окончательной  выдержки. Для обычных сталей:

Однако в данной стали  при закалке должны пройти диффузионные процессы растворения фаз в аустените. В легированных сталях диффузионные процессы замедлены, поэтому для завершения структурных превращений такая выдержка недостаточна поэтому вводим поправочный коэффициент равный 3: 

Принимаем время окончательной  выдержки равным 30мин.

Общее время: 

Обработка холодом.

Значительно понизить содержание остаточного аустенита в цементованном  слое сталей можно путем обработки  холодом после закалки перед  низким отпуском. Обработка холодом заключается в охлаждении закалённой стали до температуры ниже Мк. Температура Мк данной стали равна - 70°С, поэтому обработку холодом проводится при температуре - 50°С [2].

 

Понижение температуры  до температуры ниже точки конца  мартенситного превращения Мк вызывает превращение аустенита в мартенсит, что повышает твёрдость стали. Однако, одновременно возрастают внутренние напряжения, поэтому деталь охлаждают медленно и сразу после обработки холодом проводят низкий отпуск.

Время выдержки для структурных превращений принимаем 2,5 ч.

 

Низкий отпуск.

Низкий отпуск - это  операция термической обработки, заключающаяся в нагреве закалённой стали до температуры не выше температуры в точке Ас1, выдержке при этой температуре и охлаждении на воздухе. Низкий отпуск проводят для снятия внутренних напряжений, возникающих при закалке и обработки холодом. Низкий отпуск данной стали проводят с нагревом до температуры 250°С [4].

Расчёт времени нагрева  и выдержки при низком отпуске.

Общее время нагрева  и выдержки при низком отпуске:

Время нагрева определяется в зависимости от геометрического показателя, температуры отпуска и нагревательной среды. Время нагрева для отпуска принимаем 40мин.

Время выдержки при низком отпуске данной детали равно:

ч 20мин

Общее время нагрева  и выдержки при низком отпуске равно:

При низком отпуске мартенсит  закалки переходит в мартенсит  отпуска.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

5. Выбор оборудования для всех операций технологического процесса

Определяем тип производства по коэффициенту закрепления операции:

,

где - такт производства, мин; - время на обработку одной садки, мин.

-действительный годовой фонд  времени, час;  -годовая программа выпуска, шт.

Штучное время рассчитывается по формуле:

,

где - основное оперативное время на обработку одной садки, мин;

- основное технологическое время, мин;

- вспомогательное не перекрываемое  время, мин;

- количество деталей в садке,  шт;

- количество одновременно обслуживаемых  печей, ед;

- время на организационное обслуживание рабочего места в % от оперативного;

- время на техническое обслуживание  рабочего места в % от оперативного;

- время на отдых и личные  потребности в %  от оперативного.

Определим такт производства по операции  закалки. Для двухсменной работы действительный годовой фонд времени равен 4180 ч, годовая программа выпуска равна 200000 шт.

 

; ; [   ]; [    ]; [   ]

;

Производство с коэффициентом  закрепления операции равный 1,23 является крупносерийным  (ГОСТ 31108-74).

В крупносерийном производстве применяются печи периодического и непрерывного действия. Учитывая специфику термической обработки данной детали выбираем печи периодического действия. Среди печей периодического действия наибольшее распространение получили камерные и шахтные электрические печи сопротивления. Для данной детали, имеющей форму полого цилиндра, целесообразно выбрать шахтные печи для всех видов термической обработки.

Шахтные  печи имеет  ряд преимуществ: относительная  простота конструкции; компактность; загрузка и выгрузка деталей механизирована для чего применяются электротельферы, мостовые краны;  печи легко герметизируются с помощью песочных затворов.

С учётом размеров детали и годовой программы выпуска  выбираем следующие марки печей:

- для цементации - шахтную  муфельную электропечь сопротивления типа СШЦМ 6.12/9;

- для высокого отпуска  - шахтную электропечь сопротивления  типа СШЗ 6.12/7;

- для закалки - шахтную  электропечь сопротивления типа  СШО 6.12/10;

- для низкого отпуска  - шахтную электропечь сопротивления  типа СШЗ 6.12/7;

- для обработки холодом  - холодильная установка КТХ.

 

Технические характеристики приведены в таблице 5.1.

Таблица 5.1.

Технические характеристики шахтных печей

Характеристики	М а р к и     п е ч е й
	СШЦМ 6.12/9	СШЗ 6.12/7	СШО 6.12/10
Установленная мощность, кВт	105	75	105
Установленная температура,°С	900	700	1000
Масса загрузки, кг	800	900	1001
Высота, мм	3645	4130	3790
Длина, мм	2720	2600	2000
Диаметр, мм	2580	2380	2470