Выбор и обоснование способа термической обработки детали (инструмента)

Содержание
Введение………………………………………………………………………….3
1. Характеристика стали 25……………………………………………………..4
2. Условия эксплуатации и требуемые свойства………………………………6
3. Термическая обработка шпинделя из стали 25……………………………...8
4. Структурные превращения при нагреве и охлаждении стали……………..12
5. Окончательные механические свойства шпинделя………………………...14
Заключение……………………………………………………………………….15
Список использованной литературы…………………………………………...16
Введение
Конструкционными называют материалы, предназначенные для изготовления деталей машин, приборов, инженерных конструкций, строительных сооружений, опор, перекрытий, мостов, которые подвергаются механическим нагрузкам.
Детали и конструкции характеризуются большим разнообразием форм, размеров, условий эксплуатации. Они работают при статических, циклических и ударных нагрузках, при низких и высоких температурах, в контакте с различными средами. Эти факторы определяют требования к конструкционным материалам, основные из которых эксплуатационные, технологические и экономические. В настоящее время основными конструкционными материалами в машиностроении являются стали.
В настоящее время правильный выбор материла и назначение упрочняющей термической обработки, соответствующих заданным условиям эксплуатации, является одним из наиболее актуальных и значимых этапов.
Целью данной работы является выбор и обоснование способа термической обработки детали шпинделя из стали 25.
Характеристика стали 25
Сталь 25:
- по химическому составу является углеродистой (среднее содержание углерода 0,25 %),
- по количеству углерода – низкоуглеродистой,
- по качеству – качественной,
- по степени раскисления – спокойной,
- по назначению является конструкционной маиностроительной;
- по структуре сталь 25 является доэвтектоидной (структура в исходном состоянии – феррит и перлит).
Полный химический состав стали 25 представлен в таблице 1.
Таблица 1 – Химический состав стали 25
Углерод Марганец Никель Сера Кремний Фосфор Хром Медь Мышьяк
0,22-0,30 0,5-0,8 до 0,25 0,04 0,17–0,37 0,035 до 0,25 0,25 до 0,08
Конструкционная углеродистая сталь 25 широко используется на машиностроительных предприятиях, из нее изготавливают оси, валы, соединительные муфты, собачки, рычаги, вилки, шайбы, валики, болты, фланцы, тройники, крепежные детали и другие неответственные детали; после ХТО – винты, втулки, собачки и другие детали, к которым предъявляются требования высокой поверхностной твердости и износостойкости при невысокой прочности сердцевины.
Температура критических точек стали 25, оС.: Ac1 = 735, Ac3(Acm) = 835.
Механические свойства стали 25 в состоянии поставки представлены в таблице 2.
Таблица 2 – Механические свойства стали 25 в состоянии поставки
Механические свойства проката
ГОСТ Состояние поставки σв(МПа) δ5 (δ4) (%) ψ % НВ, не более
не менее  1050-8810702-781577-934041-71 (Образцы поперечные)16523-70  (Образцы поперечные) Сталь горячекатаная, кованая, калиброванная и серебрянка 2-й категории после нормализацииСталь калиброванная 5-й категории после отжига или высокого отпускаСталь нагартованная калиброванная и калиброванная со специальной отделкой без термообработкиПолосы нормализованные или горячекатаныеЛист термообработанный 1-2-й категории Лист горячекатаныйЛист холоднокатаный 450
 410
 540
450
390-540390-540390-540 2319 7 2326(21)(22) 50504050--------- ------217---138------
Технологические свойства стали 25
Свариваемость материала: без ограничений, кроме деталей после ХТО. Способы сварки: РДС, АДС под флюсом и газовой защитой, КТС
Флокеночувствительность: не чувствительна.
Склонность к отпускной хрупкости: не склонна.
Обрабатываемость резанием: в горячекатанном состоянии при σв=450 - 490 МПа, К υ тв. спл=1,7 и Кυ б.ст=1,6.
Условия эксплуатации и требуемые свойства.
Шпиндель – вал металлорежущего станка, передающего вращение закрепленному в нем инструменту или обрабатываемой заготовке. Шпиндели широко применяются в станкостроении для изготовления токарных станков. На рисунке 1 представлен чертеж шпинделя.

Рисунок 1 – Чертеж шпинделя
Шпиндель является одной из наиболее ответственных деталей станка. От него во многом зависит точность обработки. Поэтому к шпинделю предъявляется ряд повышенных требований.
На шпиндель действуют нагрузки, вызываемые силами резания, силами в приводе (ременном, зубчатом), а также центробежными силами, возникающими от неуравновешенности вращающихся деталей самого шпиндельного узла.
Требования, предъявляемые к материалу шпинделя, определяются типом станка и условиями работы шпинделя.
Шпиндели, работающие на опорах скольжения, должны обладать не только высокими прочностью и жесткостью, но и высокой износостойкостью.
Шпиндели работают с большой скоростью вращения в условиях повышенного износа, поэтому твердость в поверхностном слое должна быть HRC 58 – 62, при этом должна сохраняться вязкая сердцевина.
При повышенных требованиях применяют низкоуглеродистые стали (в том числе и сталь 25) с последующей термической обработкой (цементацией, закалкой и отпуском), что позволяет получить высокую поверхностную твердость исполнительных поверхностей и опорных шейках.
Термическая обработка шпинделя из стали 25
Для обеспечения необходимой твердости шпинделя из стали 25 целесообразно проводить химико-термическую обработку (цементацию) с последующей закалкой и низким отпуском.
Цементация – процесс насыщения поверхностного слоя стали углеродом. Это один из наиболее распространенных процессов химико-термической обработки.
Цель цементации: получить детали машин с твердой и износоустойчивой поверхностью при сохранении вязкой, выдерживающей динамические нагрузки сердцевины.
Цементованные изделия хорошо работают при знакопеременных нагрузках и в условиях трения. Цементация и последующая термическая обработка повышают и предел выносливости. Цементации подвергают изделия, изготовленные из низкоуглеродистой и легированной сталей, содержащих 0,1–0,18 % С, для крупно габаритных деталей до 0,3 % С. Это шестерни, поршневые пальцы, шейки валов и осей, втулки, распределительные валики, измерительный инструмент и др.
Цементация шпинделей из стали 25 производится путем нагрева и длительной выдержки деталей в соответствующей “науглероживающей” среде при температурах аустенитного состояния стали, то есть выше линии Ас3 (920–950 оС).
Распределение концентрации углерода по глубине диффузионного слоя является функцией температуры, продолжительности процесса, активности среды и химического состава стали.
Длительность выдержки при цементации зависит от требуемой толщины цементованного слоя. Скорость цементации в среднем составляет 0,2 мм /час, поэтому для получения цементованного слоя толщиной 1 мм требуется выдержка 5 часов.
В массовом производстве изделий применяют газовую цементацию. т.к. она обладает рядом преимуществ: можно получить точно заданную концентрацию углерода в слое; сокращается длительность процесса; возможна полная механизация и автоматизация процесса. В качестве оборудования для проведения газовой цементации применяют муфельные и безмуфельные печи непрерывного действия или шахтные печи периодического действия.
Окончательные служебные свойства цементованные изделия приобретают в результате термической обработки, выполняемой после цементации. Наиболее часто применяют закалку. Этой обработкой можно исправить структуру и измельчить зерно сердцевины и цементованного слоя, неизбежно увеличивающихся во время длительной выдержки при высокой температуре цементации; получить высокую твердость в цементованном слое и хорошие механические свойства сердцевины; устранить карбидную сетку в цементованном слое, которая может возникнуть при насыщении его углеродом (до заэвтектоидной концентрации).
Закалка – вид термической обработки, который заключается в нагреве стали до определенных температур, выдержке при этих температурах и последующем охлаждении со скоростями выше критической скорости закалки (V≥Vкр).
Критическая скорость закалки (Vкр) – минимальная скорость, при охлаждении с которой обеспечивается получение структуры мартенсита, обладающей высокой твердостью.
Учитывая то, что сталь 25 применяется для изготовления деталей, к которым предъявляются высокие требования поверхностной твердости и износостойкости при невысокой прочности сердцевины, целесообразно проведение неполной закалки после цементации с целью устранения перегрева цементованного слоя и придания ему высокой твердости.
Температура нагрева при неполной закалке попадает в межкритический интервал температур (между температурами Ас1 и Ас3) и составит:
Тн = Ас1 + (30 – 50 оС) (1)
Тн = 735 + (30 – 50 оС) = 765-785 оС.
Выдержка при температуре закалке зависит от сечения изделий.
Для углеродистых сталей длительность выдержки при закалке определяют из расчета 1 мин на 1 мм сечения детали, для шпинделя диаметром 65 мм время выдержки составит 65 мин (1 ч 5 мин).
Выбор охлаждающей среды зависит от размеров и геометрических особенностей изделия и химического состава стали.
Для углеродистых сталей рекомендуется охлаждение при закалке проводить в воде, что обеспечивает охлаждение со скоростью выше критической и получение структуры мартенсита.
Закаленная сталь обладает высокой твердостью и большими внутренними напряжениями. Поэтому после закалки всегда проводят отпуск.
Отпуск – вид термической обработки, который заключается в нагреве стали до температур ниже критической точки Ас1 (линия PSK на диаграмме железо – цементит), выдержке при этих температурах и последующем охлаждении (обычно на воздухе).
Выбор температуры отпуска зависит от требуемой твердости изделий.
Для сохранения высокой твердости цеменованного поверхностного слоя необходимо проводить низкий отпуск.
Целью низкого отпуска является снижение внутренних напряжений и некоторое уменьшение хрупкости при сохранении высокой твердости, прочности и износостойкости изделий.
Таким образом, заключительной операцией термической обработки является низкий отпуск при температуре 180–200 оС.
Длительность выдержки при низкотемпературном отпуске составляет более 2 часов в зависимости от размеров изделий и применяемого оборудования для термообработки: 2 ч + 1 мин/ 1 мм, получим 3 ч 5 мин.
При низком отпуске из мартенсита выделяется часть избыточного углерода с образованием мельчайших карбидных частиц. Но поскольку скорость диффузии здесь еще мала, некоторая часть углерода в мартенсите остается. Таким образом на поверхности образуется структура мартенсита отпуска и цементит (карбиды).
Температуры нагрева для технологического процесса термообработки представлены на рисунке 2. График технологического процесса химико-термической обработки шпинделя из стали 25 представлен на рисунке 3.

Рисунок 2 – Температуры нагрева для технологического процесса термообработки

Рисунок 3 – График ХТО шпинделя из стали 25
4. Структурные превращения при нагреве и охлаждении стали.
В исходном состоянии сталь 25 имеет структуру доэвтектоидной стали – феррит и перлит.
При ХТО (цементации) происходит нагрев стали до температур выше Ас3, при этом феррито-перлитная структура превращается полностью в аустенит. Одновременно происходит насыщение поверхностного слоя стали углеродом, в результате чего после охлаждения структура цементованной стали будет иметь 3 различные зоны (рис. 4). В результате цементации на поверхности образуется структура заэвтектоидной стали, состоящая из перлита и цементита вторичного, следующая зона состоит из перлита (структура эвтектоидной стали), и в сердцевине сохранится структура доэвтектоидной стали, т.е. феррит и перлит (по мере приближения к сердцевине количество перлита уменьшается, количество феррита увеличивается).

Рисунок 4 – Структура стали после цементации
При последующей закалке при нагреве в межкритический интервал температур (выше Ас1, но ниже Ас3) образуется структура, состоящая у поверхности – из аустенита и цементита вторичного, в сердцевине – из аустенита и феррита, в промежуточной зоне – из аустенита. При последующем быстром охлаждении в воде образуются структуры, изображенные на рисунке 5.

Рисунок 5 – Структура стали после закалки
При низком отпуске в структуре закаленной стали происходит выделение углерода в виде дисперсных частиц – карбидов железа переменного состава, таким образом, мартенсит закалки превращается в структуру мартенсита отпуска.
Структура поверхностного слоя после отпуска - отпущенный мартенсит или отпущенный мартенсит + карбиды, структура сердцевины - низкоуглеродистый отпущенный мартенсит или низкоуглеродистый отпущенный мартенсит и феррит.
Низкий отпуск повышает прочность и улучшает вязкость без снижения твердости. Поэтому его применяют для деталей после поверхностной упрочняющей обработки (цементации).
5. Окончательные механические свойства шпинделя
Окончательные механические свойства, полученные в шпинделе из стали 25 после назначенной термической обработки, представлены в таблице 3.
Таблица 3 – Механические свойства стали 25 после термообработки
Механические свойства стали после ХТО
Режим ХТО Сечение, мм σ0,2 (МПа) σв(МПа) δ5 (%) ψ % НВ, не более
не менее Цементация 920-950 °С,
закалка 765-785 °С, вода, отпуск 180-200 °С,
воздух 50 345 550 25 45 Сердцевины 170 HRC∂ поверхности 55-63
 
Таким образом, после назначенной упрочняющей термической обработки получим высокую твердость на поверхности – HRC 55-63, при этом сердцевина изделия сохранит высокую вязкость и небольшую твердость – НВ 170.
Заключение
В данной работе была рассмотрена одна из наиболее ответственных деталей станочного оборудования – шпиндель из углеродистой конструкционной стали 25. Были изучены условия эксплуатации данной детали и установлены требования, предъявляемые к шпинделю. Основные требования заключаются в получении высокой поверхностной твердости изделия при сохранении вязкой сердцевины.
Термической обработкой, обеспечивающей заданные требования, является цементация с последующей закалкой и низким отпуском. В работе были назначены режимы термообработки, т.е. оптимальные температуры нагрева, длительность выдержки, охлаждающие среды.
Назначенная термическая обработка обеспечивает получение требуемых свойств: твердость поверхности HRC 55-63, твердость сердцевины НВ 170.
Список использованной литературы
Лахтин, Ю.М. Материаловедение / Ю.М. Лахтин, В.П. Леонтьева. – М.: Машиностроение, 1990. – 528 с.
Марочник сталей и сплавов / В. Г. Сорокин, А. В. Волосникова, С. А. Вяткин и др; Под общ. ред. В. Г. Сорокина. – М.: Машиностроение, 1989. – 640 с.
Журавлев, В.Н. Машиностроительные стали: справочник / В.Н. Журавлев, О.И. Николаева. – М.: Машиностроение, 1981. – 391 с.
Лахтин, Ю.М. Металловедение и термическая обработка металлов: учебник для вузов / Ю.М. Лахтин. – 4-е изд. – М.: Металлургия, 1993. – 448 с.
Материаловедение: учеб. пособие / под общ. ред. Л.Г. Петровой, Г.В. Гладовой, О.В. Чудиной. – М.: МАДИ (ГТУ), 2008. – 288 с.
Арзамасов, Б. Н. Материаловедение / Б. Н. Арзамасов [и др.]. – М. : МГТУ им. Н.Э.Баумана, 2002. – 646 с.
Геллер, Ю.А., Рахштадт, А.Г. Материаловедение / Ю.А. Геллер, А.Г. Рахштадт. – М.: Металлургия, 1975. – 448 с.
Гуляев, А.П. Металловедение: учебник для вузов / А.П. Гуляев. – М.: Металлургия, 1986. – 542 с.
Материаловедение и технология конструкционных материалов. Учебник для ВУЗов / Ю.П. Солнцев, В.А. Веселов, В.П. Демьянцевич, А.В. Кузин, Д.И. Чашников. – 2-е изд., перер., доп. – М. МИСИС, 1996. – 576с.
Богодухов С.И. Курс материаловедения в вопросах и ответах: Учеб. пособие для ВУЗов, обуч. по направлению подгот. бакалавров «Технология, оборуд. и автомат. машиностр. пр-в» и спец. «Технология машиностроения», «Металлорежущие станки и инструменты» и др. / С.И. Богодухов, В.Ф. Гребенюк, А.В. Синюхин. – М.: Машиностроение, 2003. – 255с.