Выбор группы материалов конкретного функционального

Лист№ докум.ПодписьДатаЛист31.001.00.00. ПЗ Разраб.ФИО студента Провер.ФИО препод Реценз. Н. Контр.ФИО препод Утверд.Выбор материала конкретного назначенияЛит.Листов23Каф. МТМ гр. МТб-15-100Изм.Лист№ докум.ПодписьДатаЛист31.001.00.00. ПЗ Разраб.ФИО студента Провер.ФИО препод Реценз. Н. Контр.ФИО препод Утверд.Выбор материала конкретного назначенияЛит.Листов23Каф. МТМ гр. МТб-15-1Изм.Лист№ докум.ПодписьДатаЛист31.001.00.00. ПЗ Разраб.ФИО студента Провер.ФИО препод Реценз. Н. Контр.ФИО препод Утверд.Выбор материала конкретного назначенияЛит.Листов23Каф. МТМ гр. МТб-15-1Изм.Лист№ докум.ПодписьДатаЛист31.001.00.00. ПЗ Разраб.ФИО студента Провер.ФИО препод Реценз. Н. Контр.ФИО препод Утверд.Выбор материала конкретного назначенияЛит.Листов23Каф. МТМ гр. МТб-15-1ВведениеПроизводство рациональных и конкурентоспособных изделий, организация их выпуска невозможны без достаточного уровня знаний в области материаловедения и термической обработки сплавов.Термическая обработка – самый распространенный в современной технике способ изменения свойств металлов и сплавов. На металлургических и машиностроительных заводах термическая обработка является одним из важнейших звеньев технологического процесса производства полуфабрикатов и деталей машин. Термообработку применяют как промежуточную операцию для улучшения технологических свойств (обрабатываемости давлением, резанием и др.) и как окончательную операцию для придания металлу или сплаву такого комплекса механических, физических и химических свойств, который обеспечивает необходимые эксплуатационные характеристики изделия. Чем ответственнее конструкция, тем, как правило, больше в ней термически обработанных деталей.Целью данной работы являлся выбор марки стали и термической обработки для изготовления стальных литых деталей прокаливаемостью не менее 25 мм.720090252095Изм.Лист№ докум.ПодписьДатаЛист41.001.00.00–ПЗ00Изм.Лист№ докум.ПодписьДатаЛист41.001.00.00–ПЗИзм.Лист№ докум.ПодписьДатаЛист41.001.00.00–ПЗИзм.Лист№ докум.ПодписьДатаЛист41.001.00.00–ПЗ1 Условия эксплуатации изделия и причины возможных повреждений и разрушения детали в процессе эксплуатации720090252095Изм.Лист№ докум.ПодписьДатаЛист51.001.00.00–ПЗ00Изм.Лист№ докум.ПодписьДатаЛист51.001.00.00–ПЗ При движении автомобиля крутящий момент от коленвала двигателя передается коробке передач и затем, через главную передачу и дифферен-циал, на ведущие колеса. Главная передача позволяет увеличивать или уменьшать крутящий момент, передаваемый колесам автомобиля. По типу зубчатого соединения главные передачи различаются на следующие разновидности: цилиндрическая; коническая (рис. 1.1). Шестерня подвержена высоким силовым и вибрационным нагрузкам. В конструктивном и технологическом отношении они относятся к наиболее сложным деталям.Изм.Лист№ докум.ПодписьДатаЛист51.001.00.00–ПЗИзм.Лист№ докум.ПодписьДатаЛист51.001.00.00–ПЗРисунок 1.1 – Коническая шестерня главной передачиВ процессе эксплуатации зубья шестерен подвергаются:а) изгибу при максимальном однократном нагружении (при резком торможении, заклинивании, при приложении максимального крутящего момента);б) изгибу при многократных циклических нагрузках, вследствие чего в корне зуба развиваются наибольшие напряжения, и может происходить усталостное разрушение;в) контактным напряжениям на боковых рабочих поверхностях зубьев, приводящим к образованию контактно-усталостного выкрашивания,г) износу боковых поверхностей (из-за попадания абразивных частиц, грязи, пыли в зону контакта), либо торцевых поверхностей зубьев (при переключении передач в коробках передач). При относительном скольжении в условиях недостаточной смазки либо без смазки на рабочих поверхностях зубьев может происходить образование грубых задиров, приводящих к быстрому изнашиванию деталей.-318770-500126Изм.Лист№ докум.ПодписьДатаЛист61.001.00.00–ПЗ00Изм.Лист№ докум.ПодписьДатаЛист61.001.00.00–ПЗ2 Эксплуатационные требованияИзм.Лист№ докум.ПодписьДатаЛист61.001.00.00–ПЗИзм.Лист№ докум.ПодписьДатаЛист61.001.00.00–ПЗОдним из важнейших показателей, определяющих спрос на машиностроительную продукцию (детали машин), является его качество. Обеспечение необходимого качества возможно при удовлетворении эксплуатационных, производственно-технологических, экономических и других требований, предъявляемых к деталям, узлам и механизмам.Эксплуатационные требования. К ним относятся требования работоспособности, технического обслуживания и ремонта. Работоспособность – способность изделия выполнять заданные функции с параметрами, установленными в техническом задании (ТЗ). Техническое обслуживание – этап эксплуатации, направленный на поддержание надежности и готовности технических объектов и их элементов. В этот этап входят работы по профилактике, контролю, регулированию, смазке и др. Ремонт – совокупность технических мероприятий, осуществляемых с целью восстановления работоспособности устройств.Надежность – это важнейшая характеристика механизма (объекта). Надежность – свойство изделий выполнять в течение заданного времени или заданной наработки свои функции, сохраняя в заданных пределах эксплуатационные показатели. Надежность характеризуется безотказностью, долговечностью, ремонтопригодностью и сохраняемостью.Безотказность – свойство изделия, позволяющее ему сохранять работоспособность в течение некоторой наработки без вынужденных перерывов. Долговечность – свойство изделия, позволяющее ему сохранять работоспособность до предельного состояния с необходимыми перерывами для технического обслуживания и ремонтов.К деталям машин предъявляются требования повышенной конструкционной прочности.Конструктивная прочность - это определенный комплекс механических свойств, обеспечивающий длительную и надежную работу материала в условиях его эксплуатации.Прочность материала, его твердость, пластичность, ударная вязкость, выносливость относятся к механическим свойствам. Они являются основными свойствами конструкционных материалов и определяются по результатам испытаний.Прочность – способность материала сопротивляться разрушению или появлению остаточных деформаций под действием внешних сил. Исходя из условий работы конической шестерни главной передачи, к ней предъявляются требования повышенной прочности, твердости износостойкости в сочетании с высокой ударной вязкостью по всему сечению детали.3 Технологические и экономические требованияПри конструировании отдельных деталей необходимо достичь удовлетворения не только эксплуатационных требований, но и требований наиболее рационального и экономического изготовления изделия. В этом и состоит принцип технологичности конструкции.Чем меньше трудоёмкость и себестоимость изготовления изделия, тем оно технологичнее. Таким образом, основными критериями оценки технологичности конструкции являются трудоёмкость и себестоимость изготовления.Основными технологическими требованиями к детали конической шестерни, изготовленной методом литья под давлением, являются:- хорошие литейный свойства (жидкотекучесть, незначительная усадка и др.);- хорошая обрабатываемость резанием (при необходимости проведения механической обработки);- повышенная закаливаемость и прокаливаемость материала шестерни.В конструкционных сталях наиболее выгодное сочетание механических свойств обеспечивается в случае получения при закалке структуры мелкоигольчатого мартенсита с высокими показателями твердости. Способность стали приобретать после закалки высокую твердость, зависящую от содержания углерода в мартенсите, называется закаливаемостью. При закалке сталей в любых охладителях невозможно добиться одинаковой скорости охлаждения поверхности и сердцевины изделия. В таком случае если скорость охлаждения сердцевины будет меньше критической, то в ней вместо мартенсита образуются закалочные структуры перлитного типа – троостит или сорбит закалки с более низкими механическими свойствами. Поэтому большое значение имеют показатели способности стали к образованию при закалке мартенситной структуры по сечению (на определенную глубину) – прокаливаемость. При выборе материала для детали одним из основных требований является экономическая эффективность изготовления изделия из выбранного материала, особенно важная при серийном и массовом производстве.Стоимость изделия определяется, в первую очередь, стоимостью используемого материала. Самыми дешевыми из конструкционных сталей являются углеродистые стали. Низколегированные стали мало отличаются по стоимости от углеродистых сталей. Высоколегированные стали тем дороже, чем больше содержат легирующих элементов. Вместе с тем высоколегированные стали обладают более высоким комплексом свойств, что позволяет уменьшить размеры и снизить материалоемкость изделий. Необходимо учитывать, что в себестоимость детали входит не только стоимость материала, но и стоимость технологии его обработки. Целесообразность и эффективность использования термообработки определяется невозможностью обеспечения без их применения требуемого комплекса свойств изделия.720090252095Изм.Лист№ докум.ПодписьДатаЛист71.001.00.00–ПЗ00Изм.Лист№ докум.ПодписьДатаЛист71.001.00.00–ПЗИзм.Лист№ докум.ПодписьДатаЛист71.001.00.00–ПЗИзм.Лист№ докум.ПодписьДатаЛист71.001.00.00–ПЗcentercenterИзм.Лист№ докум.ПодписьДатаЛист81.001.00.00–ПЗ00Изм.Лист№ докум.ПодписьДатаЛист81.001.00.00–ПЗ4 Выбор группы материалов конкретного функционального назначения с обоснованиемИзм.Лист№ докум.ПодписьДатаЛист81.001.00.00–ПЗИзм.Лист№ докум.ПодписьДатаЛист81.001.00.00–ПЗМатериал для изготовления шестерен выбирают в зависимости от назначения и условий эксплуатации последних, передаваемых ими нагрузок, скоростей вращения и т.п. При выборе марки стали необходимо учитывать следующие требования: низкую стоимость материала, хорошую обрабатываемость резанием, минимальное коробление при закалке и эксплуатационные показатели – высокую прочность, долговечность работы и повышенную стойкость к износу. Для большинства шестерен комбайнов, тракторов, автомобилей и других машин, передающих большие нагрузки, лимитирующими факторами являются: прочность зубьев – сопротивление на изгиб, стойкость поверхности профиля зубьев против усталостного разрушения (питтинга) и изнашивание зубьев. Для производства шестерен наиболее широко применяют следующие стали: углеродистые – 40, 50, 45; легированные (20Х, 40Х, 12ХН3А, 18ХГТ и др.). Для повышения прочности и износостойкости в стали добавляют один или несколько легирующих элементов. Легированные стали с содержанием хрома, никеля, молибдена, марганца и др. элементов применяют для изготовления высоконагруженных шестерен.Кроме того, литые стальные шестерни изготовляют из углеродистых литейных сталей 30Л, 40Л, 50Л, 30ХГФРЛ и др., а шестерни малонагруженных передач машин из чугуна СЧ18. При малых нагрузках зубчатые колеса также могут изготовляться из текстолита, капрона и других неметаллических материалов.Практикой эксплуатации и исследованиями установлено, что нагрузка, допускаемая по контактной прочности зубьев, определяется в основном твердостью материала. Высокую твердость в сочетании с другими характеристиками, а, следовательно, малые габариты и массу передачи можно получить при изготовлении шестерен из сталей, подвергнутых термообработке. Сталь в настоящее время – основной материал для изготовления шестерен и в особенности для шестерен высоконагруженных передач.В зависимости от твердости (или термообработки) стальные шестерни разделяют на две основные группы: - твердостью менее 350 НВ – шестерни нормализованные или улучшенные; - твердостью более 350 НВ – с объемной закалкой, закалкой ТВЧ, цементацией, азотированием и др. Выберем для изготовления литой шестерни первую группу среднеуглеродистых термически обрабатываемых сталей, обеспечивающих после улучшения твердость до 350 HB. К данной группе сталей относятся марки 30Л, 30ХГФРЛ, 30ХГС.centercenterИзм.Лист№ докум.ПодписьДатаЛист91.001.00.00–ПЗ00Изм.Лист№ докум.ПодписьДатаЛист91.001.00.00–ПЗ5 Выбор конкретной марки материалаИзм.Лист№ докум.ПодписьДатаЛист91.001.00.00–ПЗИзм.Лист№ докум.ПодписьДатаЛист91.001.00.00–ПЗДля выбора конкретной марки стали рассмотрим характеристику, свойства и назначение сталей 30Л, 30ХГФРЛ, 30ХГС.Сталь 30Л:- по химическому составу – углеродистая;- по качеству – качественная;- по технологии изготовления – литейная сталь.Сталь содержит в среднем 0,3 % углерода. Применение: рычаги, балансиры, корпусы редуктора, муфты, шкивы, кронштейны, детали сварно-литых конструкций, чаши и конусы засыпных аппаратов, станины, балки, опорные кольца, бандажи, маховики и другие детали, работающие под действием средних статических и динамических нагрузок.Стоимость углеродистой стали 30Л – невысокая.Прокаливаемость – 18 мм (в воде).Сталь 30ХГФРЛ - по химическому составу – легированная;- по качеству – качественная;- по технологии изготовления – литейная сталь.Сталь содержит в среднем 0,3 % углерода, легирующие элементы – по 1 % хрома, марганца, до 1 % ванадия и бора. Применение: зубчатые колеса, шестерни, блоки.Прокаливаемость – 30 мм (в масле).Сталь 30ХГС - по химическому составу – легированная;- по качеству – качественная;- по технологии изготовления – обрабатываемая давлением;Сталь содержит в среднем 0,3 % углерода, легирующие элементы – по 1 % хрома, марганца, кремния. Применение: различные улучшаемые детали: валы, оси, зубчатые колеса, тормозные ленты моторов, фланцы, корпуса обшивки, лопатки компрессорных машин, рычаги, толкатели, ответственные сварные конструкции, работающие при знакопеременных нагрузках, крепежные детали.Прокаливаемость – 18-40 мм (в масле).Данные марки стали после улучшения обеспечат требуемую твердость.Согласно требованиям, материал для изготовления шестерни должен иметь прокаливаемость не менее 25 мм. Учитывая данное требование, для изготовления шестерни подходят легированные стали 30ХГФРЛ, 30ХГС.Для изготовления литой шестерни целесообразно применять литейный стали, к которым относится и марка 30ХГФРЛ.Таким образом, выберем литейную легированную улучшаемую сталь 30ХГФРЛ.6 Классификация выбранного материала Классификация стали 30ХГФРЛ:- по химическому составу – легированная;- по содержанию углерода – среднеуглеродистая (0,3 % углерода);- по содержанию легирующих элементов – низколегированная (в общем содержит до 2,5 % легирующих элементов);- по качеству – качественная;- степени раскисления – спокойная;- по назначению – конструкционная;- по технологии изготовления – литейная;- по структуре – сталь перлитного класса, доэвтектоидная, исходная структура – феррит и перлит (рис. 6.1).Рисунок 6.1 – Микроструктура доэвтектоидной сталиХимический состав стали представлен в таблице 6.1.Таблица 6.1 – Химический состав стали 30ХГФРЛCSiMnNiSPCrVCuB0.28 - 0.360.2 - 0.60.8 - 1.25до 0.3до 0.04до 0.040.5 - 0.90.05 - 0.1до 0.3до 0.004720090252095Изм.Лист№ докум.ПодписьДатаЛист PAGE \* LOWER 101.001.00.00–ПЗ00Изм.Лист№ докум.ПодписьДатаЛист PAGE \* LOWER 101.001.00.00–ПЗИзм.Лист№ докум.ПодписьДатаЛист PAGE \* LOWER 101.001.00.00–ПЗИзм.Лист№ докум.ПодписьДатаЛист PAGE \* LOWER 101.001.00.00–ПЗТехнологические свойства:- линейная усадка – 1.5 - 2 %;- склонность к отпускной хрупкости – склонна;- свариваемость – ограничено свариваемая;- прокаливаемость – 30 мм.Температура критических точек стали 30ХГФРЛ, оС: Ac1 = 750 - 760, Ac3 = 845 - 855, Mn = 320 – 370.Сталь относится к термически упрочняемым.Типовая термообработка состоит из закалки и высокого отпуска (улучшения).7 Влияние химического состава7.1 Влияние углерода на механические свойства стали720090252095Изм.Лист№ докум.ПодписьДатаЛист PAGE \* LOWER 111.001.00.00–ПЗ00Изм.Лист№ докум.ПодписьДатаЛист PAGE \* LOWER 111.001.00.00–ПЗИзм.Лист№ докум.ПодписьДатаЛист PAGE \* LOWER 111.001.00.00–ПЗИзм.Лист№ докум.ПодписьДатаЛист PAGE \* LOWER 111.001.00.00–ПЗУглерод оказывает определяющее влияние на свойства стали. Увеличение содержания углерода повышает прочность (до 1,0 % углерода) и твёрдость стали, однако существенно понижает пластичность и удельную ударную вязкость, повышает порог хладноломкости (рис. 7.1). C увеличением содержания углерода изменяется структура стали. В равновесном состоянии структура стали представляет смесь феррита и цементита, в которой количество последнего увеличивается пропорционально содержанию углерода.Рисунок 7.1 – Влияние углерода на механические свойствауглеродистой сталиС увеличением содержания углерода возрастает количество хрупкого и твёрдого цементита, а, следовательно, повышается хрупкость и твёрдость, понижается пластичность и ударная вязкость стали. Прочность стали с увеличением количества углерода в начале возрастает, а затем, достигнув максимума примерно при 1,0 %, начинает понижаться, что связано с образованием в структуре хрупкой сетки цементита вторичного.Углерод ухудшает литейные свойства стали, обрабатываемость давлением и резанием, свариваемость. 720718centerИзм.Лист№ докум.ПодписьДатаЛист PAGE \* LOWER 121.001.00.00–ПЗ00Изм.Лист№ докум.ПодписьДатаЛист PAGE \* LOWER 121.001.00.00–ПЗ7.2 Влияние постоянных (технологических) примесейИзм.Лист№ докум.ПодписьДатаЛист PAGE \* LOWER 121.001.00.00–ПЗИзм.Лист№ докум.ПодписьДатаЛист PAGE \* LOWER 121.001.00.00–ПЗВ углеродистой стали кроме основных компонентов (железа и углерода) присутствует ряд примесей. К постоянным примесям стали относятся Mn, Si, S и Р, а также газы (азот, водород, кислород), а к случайным – примеси, которые попадают с шихтовыми материалами (например, в рудах содержатся Си, As, Сг и др.).Присутствие разных примесей объясняется соответствующими причинами. Марганец и кремний в десятых долях процента переходят в сталь в процессе ее раскисления; сера и фосфор в сотых долях процента остаются в стали из-за трудности их полного удаления; хром и никель переходят в сталь из шихты, содержащей легированный металлический лом, и допускаются в количестве не более 0,3 % каждого. Таким образом, сталь фактически является многокомпонентным сплавом. Допустимые количества примесей в сталях регламентируются соответствующими стандартами. Примеси оказывают влияние на механические и технологические свойства стали. Так, например, марганец и кремний являются полезными примесями, они раскисляют сталь, повышают твердость и прочность. Раскисление – процесс удаления из расплавленных металлов (главным образом стали и других сплавов на основе железа) растворённого в них кислорода, который является вредной примесью, ухудшающей механические свойства металла.Сера и фосфор являются вредными примесями.Сера ухудшает пластичность и вязкость и придает стали красноломкость, т.е. хрупкость при высоких температурах. Сера в железе не растворяется, а образует сернистое железо (FeS), которое с железом при 985 °С создает легкоплавкую эвтектику, располагающуюся в основном по границам зерен. При нагреве выше 985 °С эвтектика плавится, разобщая зерна стали. При горячей обработке такой стали давлением по границам зерен появляются трещины. Чем меньше в стали содержание серы, тем сталь качественнее.Фосфор вызывает хладноломкость, проявляющуюся в склонности образовывать трещины при комнатной температуре, и особенно при температурах ниже нуля. Одновременно фосфор ухудшает пластичность и вязкость. Фосфор растворяется в феррите и повышает прочность стали. Однако при содержании фосфора выше 0,1% хладноломкость стали резко усиливается. Фосфор имеет большую склонность к ликвации при кристаллизации стали. Это приводит к образованию отдельных участков, богатых фосфором, при общем содержании его в стали менее 0,1%. Высококачественные стали должны содержать не более 0,03% Р.Газы (кислород, азот и водород) оказывают отрицательное влияние на свойства сталей, т.к. приводят к образованию хрупких неметаллических включений (кислород, азот) и флокенов (водород). -346239-440521Изм.Лист№ докум.ПодписьДатаЛист PAGE \* LOWER 131.001.00.00–ПЗ00Изм.Лист№ докум.ПодписьДатаЛист PAGE \* LOWER 131.001.00.00–ПЗ7.3 Влияние легирующих элементовИзм.Лист№ докум.ПодписьДатаЛист PAGE \* LOWER 131.001.00.00–ПЗИзм.Лист№ докум.ПодписьДатаЛист PAGE \* LOWER 131.001.00.00–ПЗЭлементы, специально введенные в сталь с целью изменения ее структуры и свойств, называются легирующими, а сталь при этом — легированной. В качестве легирующих химических элементов используют хром, никель, марганец, кремний, ванадий, вольфрам и др. элементы.Хром повышает жаростойкость и коррозионную стойкость стали, увеличивает ее электрическое сопротивление и уменьшает коэффициент линейного расширения, повышает ее прокаливаемость. Марганец увеличивает прокаливаемость стали, но кроме этого уменьшает и вязкость феррита. Марганец используют для частичной замены никеля с целью получения необходимого сочетания механических свойств стали и ее стоимости, с учетом меньшей стоимости марганца.При введении в сталь ванадия образуются труднорастворимые в аустените карбиды, что вызывает измельчение зерна, снижение порога хладноломкости, уменьшение чувствительности стали к концентраторам напряжений. Однако этот эффект проявляется лишь при малом содержании этих легирующих химических элементов в стали (до 0,15 %). При большем количестве они вызывают снижение прокаливаемости и сопротивления стали хрупкому разрушению.Положительное влияние бора на повышение прокаливаемости и прочности стали проявляется лишь при микролегировании бором (0,001–0,005 %). При повышенном содержании бора сталь становится хрупкой. Все элементы, которые растворяются в железе, влияют на температурный интервал существование его аллотропических модификаций. В зависимости от расположения элементов в периодической системе и строения кристаллической решетки легирующего элемента возможны варианты взаимодействия легирующего элемента с железом. Им соответствуют и типы диаграмм состояния сплавов системы железо – легирующий элемент (рис. 7.2).Большинство элементов или повышают А4 и снижают А3, расширяя существовавшие γ–модификации (рис. 7.2, а), или снижают А4 и повышают А3, сужая область существования γ– модификации (рис. 7.2, б).Свыше определенного содержания марганца, никеля и других элементов, имеющих гранецентрированную кубическую решетку, γ-состояние существует как стабильное от комнатной температуры до температуры плавления, такие сплавы на основе железа называются аустенитными.При содержании ванадия, молибдена, кремния и других элементов, имеющих объемно-центрированную кубическую решетку, выше определенного предела устойчивым при всех температурах является α-состояние. Такие сплавы на основе железа называются ферритными.Аустенитные и ферритные сплавы не имеют превращений при нагреве и охлаждении.а – для элементов, расширяющих область существования γ–модификации; б – для элементов, сужающих область существования γ–модификацииРисунок 7.2 – Схематические диаграммы состояния Fe – легирующий элемент Легирующие элементы в большинстве случаев растворяются в аустените, образуя твердые растворы замещения. Легированные стали требуют более высоких температур нагрева и более длительной выдержки для получения однородного аустенита, в котором растворяются карбиды легирующих элементов.Малая склонность к росту аустенитного зерна – технологическое преимущество большинства легированных сталей. Все легирующие элементы снижают склонность аустенитного зерна к росту, кроме марганца и бора. Элементы, не образующие карбидов (кремний, кобальт, медь, никель), слабо влияют на рост зерна. Карбидообразующие элементы (хром, молибден, вольфрам, ванадий, титан) сильно измельчают зерно.centercenterИзм.Лист№ докум.ПодписьДатаЛист PAGE \* LOWER 141.001.00.00–ПЗ00Изм.Лист№ докум.ПодписьДатаЛист PAGE \* LOWER 141.001.00.00–ПЗИзм.Лист№ докум.ПодписьДатаЛист PAGE \* LOWER 141.001.00.00–ПЗИзм.Лист№ докум.ПодписьДатаЛист PAGE \* LOWER 141.001.00.00–ПЗ8 Термическая обработкаТермической (или тепловой) обработкой называется совокупность опе-334645-479425Изм.Лист№ докум.ПодписьДатаЛист151.001.00.00–ПЗ00Изм.Лист№ докум.ПодписьДатаЛист151.001.00.00–ПЗ раций нагрева, выдержки и охлаждения твёрдых металлических сплавов с целью получения заданных свойств за счёт изменения внутреннего строения и структуры. Тепловая обработка используется либо в качестве промежуточной операции для улучшения обрабатываемости давлением, резанием, либо как окончательная операция технологического процесса, обеспечивающая заданный уровень свойств изделия.Изм.Лист№ докум.ПодписьДатаЛист151.001.00.00–ПЗИзм.Лист№ докум.ПодписьДатаЛист151.001.00.00–ПЗСреди основных видов термической обработки различают отжиг, нормализацию, закалку и отпуск.ОтжигОтжиг 1 рода (гомогенизация, рекристаллизация, снятие напряжений). Целью является получение равновесной структуры. Такой отжиг не связан с фазовыми превращениями в твердом состоянии (если они и происходят, то это – побочное явление).Отжиг 2 рода связан с фазовыми превращениями в твердом состоянии. К отжигу 2 рода относятся: полный отжиг, неполный отжиг, изотермический отжиг и др.Нормализация Изделие нагревают до аустенитного состояния и охлаждают на спокойном воздухе. Нормализация проводится с целью измельчения зерна и повышения механических свойств (доэвтектоидные стали) или устранения сетки цементита вторичного (заэвтектоидные стали) для уменьшения хрупкости.ЗакалкаЗаключается в нагреве и выдержке с последующим охлаждением со скоростью большей критической с целью получения неравновесных структур и, соответственно, высокой твердости. Критическая скорость охлаждения, необходимая для закалки, зависит от химического состава сплава. Закалка может сопровождаться полиморфным превращением, при этом из исходной высокотемпературной фазы образуется новая неравновесная фаза (например, превращение аустенита в мартенсит при закалке стали). Существует также закалка без полиморфного превращения, в процессе которой фиксируется высокотемпературная метастабильная фаза (например, при закалке бериллиевой бронзы происходит фиксация альфа фазы, пересыщенной бериллием).Отпуск необходим для снятия внутренних напряжений, а также для придания материалу требуемого комплекса механических и эксплуатационных свойств. В большинстве случаев материал становится более пластичным при некотором уменьшении прочности.Для выбранной марки стали 30ХГФРЛ рекомендуемая типовая термообработка состоит из полного отжига720090252095Изм.Лист№ докум.ПодписьДатаЛист161.001.00.00–ПЗ00Изм.Лист№ докум.ПодписьДатаЛист161.001.00.00–ПЗ (нагрев до 880-900 °С., охлаждение с печью) и последующей закалки (900-920 °С, охлаждение в масле) с высоким отпуском (650-670 °С, охлаждение на воздухе).Изм.Лист№ докум.ПодписьДатаЛист161.001.00.00–ПЗИзм.Лист№ докум.ПодписьДатаЛист161.001.00.00–ПЗРассмотрим выбор температур нагрева при термообработке шестерен из стали 30ХГФРЛ, используя диаграмму железо – цементит (рис. 8.1).21052691946129002074398109723100180379216118740,2000,218854627419240,1000,12102680112590400180047123828620,0,3000,0,347579571407257I00I 0,20,20,10,10,0,30,0,3IIРисунок 8.1 – Участок диаграммы железо-цементит Полный отжиг является предварительной термообработкой, цель которой снижение твердости для улучшения обрабатываемости резанием.Т.к. сталь 30ХГФРЛ является доэвтектоидной, проводится полный отжиг с нагревом до температур на 30-50 оС выше критической очки Ас3 (линия GS на диаграмме железо – цементит):Тн= Ас3 + (30-50 оС). (8,1)Получим: Тн= 850 + (30-50 оС) = 880 – 900 оСОхлаждение при отжиге проводится медленно с печью. Длительность выдержки при отжиге назначается из расчета 2 мин на 1 мм сечения и составит для шестерни толщиной 25 мм – 50 мин.Структура после отжига – феррит и перлит.-402336302133Изм.Лист№ докум.ПодписьДатаЛист171.001.00.00–ПЗ00Изм.Лист№ докум.ПодписьДатаЛист171.001.00.00–ПЗЗакалка проводится полная. Температуры нагрева соответствуют температурам при полном отжиге и составят 880 – 900 оС. С учетом легирования температура нагрева при закалке составит 900-920 оС (согласно справочным данным).Изм.Лист№ докум.ПодписьДатаЛист171.001.00.00–ПЗИзм.Лист№ докум.ПодписьДатаЛист171.001.00.00–ПЗДлительность выдержки при закалке: 2 мин на 1 мм сечения, составит 50 мин.Охлаждение при закалке проводится ускоренное со скоростью большей критической скорости закалки с целью получения структуры мартенсита и высокой твердости стали.При закалке на мартенсит легированной стали в качестве охлаждающей среды необходимо использовать масло. Выбор среды для охлаждения обусловлен повышенной прокаливаемостью легированных сталей, а также невысокой критической скоростью закалки. Структура стали 30ХГФРЛ после закалки в масле – мартенсит. После закалки полученная структура мартенсит имеет высокую твердость и низкую прочность с повышенной хрупкостью. Также образование в результате закалки мартенсита приводит к большим остаточным напряжениям, повышению твердости, прочности, однако при этом возрастает склонность к хрупкому разрушению, что требует проведения отпуска.Отпуск – вид термической обработки, заключающийся в нагреве до температур ниже критической температуры Ас1 (линия PSK на диаграмме железо – цементит), выдержке при этих температурах с последующим охлаждением, которое обычно проводят на воздухе.Температура нагрева при высоком отпуске выбирается исходя из установленных требований по твердости и механическим свойствам. Так, для получения оптимальных механических свойств стали 30ХГФРЛ температура отпуска должна быть в пределах 650 - 670 0С, затем выдержка и последующее охлаждение. Такой отпуск называется высоким. Длительность высокого отпуска определяется как 10 мин + 2 мин на 1 мм сечения, т.е. для сечения 25 мм получим 1 ч.Структура после высокого отпуска – сорбит отпуска (зернистая феррито-цементитная смесь) – рис. 8.2.Рисунок 8.2 – Структура сорбит отпуска9 Окончательные механические свойстваШестерни из стали 30ХГФРЛ после назначенной термической обработки будут иметь механические свойства и твердость, представленные в таблице 9.1.После объемной термической обработки улучшения (закалки и высокого отпуска) шестерни будут характеризоваться комплексом повышенных механических свойств (прочности и ударной вязкости) по всему сечению деталей.Таблица 9.1 – Механические свойства и твердость стали 30ХГФРЛСостояние поставки, режим термообработкиσ0,2 (МПа)σв(МПа)δ5 (%)ψ %KCU (Дж/см2)НВ, не болееОтливки сечением до 100 мм Закалка 900-920 °С. Отпуск 650-670 °С500700122540196-255720090252095Изм.Лист№ докум.ПодписьДатаЛист181.001.00.00–ПЗ00Изм.Лист№ докум.ПодписьДатаЛист181.001.00.00–ПЗИзм.Лист№ докум.ПодписьДатаЛист181.001.00.00–ПЗИзм.Лист№ докум.ПодписьДатаЛист181.001.00.00–ПЗ749622-490124Изм.Лист№ докум.ПодписьДатаЛист191.001.00.00–ПЗ00Изм.Лист№ докум.ПодписьДатаЛист191.001.00.00–ПЗ10 Технология получения заготовки или изделияИзм.Лист№ докум.ПодписьДатаЛист191.001.00.00–ПЗИзм.Лист№ докум.ПодписьДатаЛист191.001.00.00–ПЗПоследовательность выполнения технологических операций при производстве шестерен из стали 30ХГФРЛ:- изготовление отливок (литье под давлением);- предварительная термообработка – отжиг;- упрочняющая термическая обработка – закалка;- окончательная термообработка – высокий отпуск;- механическая обработка.Сущность литья под давлением заключается в изготовлении отливок в металлических формах (пресс-формах) заполнением расплавом под действием внешних сил, превосходящих силы гравитации. Затвердевание отливки протекает под избыточным давлением. После охлаждения отливку извлекают из пресс-формы.Значительное давление на расплав (100 МПа и более) обеспечивает высокую скорость движения потока расплава в пресс-форме (0,5...120 м/с). Форма заполняется за десятые и сотые доли секунды, что позволяет получать отливки с толщиной стенки менее 1 мм. Однако высокая скорость впуска расплава в полость пресс-формы не позволяет воздуху и продуктам разложения смазочного материала полностью удалиться из полости пресс-формы. Они попадают в расплав, что приводит к образованию газовоздушной пористости и снижению плотности и герметичности отливок и пластических свойств сплава.Высокая кинетическая энергия движущего расплава и статическое давление на него в момент окончания заполнения полости пресс-формы способствуют получению поверхностного слоя отливки с весьма малой шероховатостью.Высокая интенсивность теплового взаимодействия между расплавом, отливкой и пресс-формой способствует изменению структуры в поверхностных слоях отливки, повышению ее прочности и т.д.Давление, прикладываемое к расплаву при заполнении полости пресс-формы, позволяет регулировать продолжительность заполнения и изменять количество теплоты, отводимой от расплава за время ее заполнения.Для изготовления отливок литьем под давлением применяются специальные машины литья под давлением с холодной (горизонтальной или вертикальной) и горячей камерами прессования.На машинах с горизонтальной холодной камерой прессования порцию расплавленного металла заливают в камеру прессования 4 (рис. 10, а), которую плунжером 5 под давлением 40...100 МПа подают в полость пресс-формы (рис. 10.1, б), состоящей из неподвижной 3 и подвижной 1 полуформ. Внутреннюю полость в отливке получают стержнем 2. После затвердевания отливки пресс-форма раскрывается (рис. 10.1, в), стержень 2 извлекается, и отливка 7 выталкивателями 6 удаляется из рабочей полости пресс-формы. 733896centerИзм.Лист№ докум.ПодписьДатаЛист201.001.00.00–ПЗ00Изм.Лист№ докум.ПодписьДатаЛист201.001.00.00–ПЗПеред заливкой пресс-форму нагревают до температуры 120...320 °С. После удаления отливки рабочую поверхность пресс-формы обдувают воздухом и смазывают специальными материалами для предупреждения приваривания отливки к пресс-форме.Изм.Лист№ докум.ПодписьДатаЛист201.001.00.00–ПЗИзм.Лист№ докум.ПодписьДатаЛист201.001.00.00–ПЗРисунок 10.1 – Схема процесса изготовления отливок на машинахлитья под давлением с горизонтальной холодной камерой прессованияВоздух и газы удаляют через каналы глубиной 0,05...0,15 мм и шириной 15 мм, расположенные в плоскости разъема пресс-формы, или вакуумированием рабочей полости перед заливкой расплавленного металла. Для уменьшения пористости в отливках используется вакуумирование полости пресс-формы. Вакуумирование позволяет уменьшить количество воздуха и газов в полости формы, снизить их противодавление при заполнении полости пресс-формы расплавом, что повышает плотность и герметичность, прочность и относительное удлинение материала отливки.Уменьшить воздушную пористость в отливках позволяет также продувка камеры прессования и полости пресс-формы кислородом до полного вытеснения воздуха. При заполнении полости пресс-формы расплавом кислород вступает с ним в химическое взаимодействие, благодаря чему большая часть кислорода расходуется на окисление расплава, в результате в форме образуется вакуум, что значительно уменьшает газосодержание отливки и снижает пористость.Для уменьшения усадочной пористости используется подпрессовка в конечный момент прессования, вследствие чего повышаются механические свойства материала отливок и возрастает их герметичность. Следует иметь в виду, что подпрессовка эффективна только в том случае, если время нарастания давления меньше времени затвердевания расплава в отливке.При литье под давлением температуру заливки сплава выбирают на 10...20 °С выше температуры ликвидуса.3Литье под давлением используют в массовом и крупносерийном производствах отливок с минимальной толщиной стенок 0,8 мм, с высокой точностью размеров и малой шероховатостью поверхности за счет точной обработки и тщательного полирования рабочей полости пресс-формы; без механической обработки или с минимальными припусками, что резко сокращает объем механической обработки отливок; с высокой производительностью процесса.719400centerИзм.Лист№ докум.ПодписьДатаЛист211.001.00.00–ПЗ00Изм.Лист№ докум.ПодписьДатаЛист211.001.00.00–ПЗНедостатки литья под давлением:Изм.Лист№ докум.ПодписьДатаЛист211.001.00.00–ПЗИзм.Лист№ докум.ПодписьДатаЛист211.001.00.00–ПЗ- высокая стоимость пресс-форм и оборудования; - ограниченность габаритных размеров и массы отливок; - наличие воздушной пористости в массивных частях отливок, снижающей прочность деталей.В настоящее время работают автоматизированные установки литья под давлением, в которых автоматически производятся смазывание пресс-форм, регулирование их теплового режима, подача расплавленного металла в камеру прессования, извлечение отливки и транспортирование ее к обрезному прессу для удаления литников.Достоинства литья под давлениемОсновное преимущество заключается в возможности получения сложнейших отливок с рельефными контурами с толщиной стенок от 0,8 мм и выше.Литье под давлением имеет еще ряд ценных преимуществ по сравнению с другими способами литья:- качество поверхности отливок. Чистота поверхности отливки зависит от рабочей поверхности полированной формы и практически соответствует 5 - 6-му классу чистоты (5–6) по ГОСТ 2789–51;- строение металла. При литье под давлением, в котором большая скорость впуска металла сочетается с высоким давлением, а также со значительной массой формы (по отношению к массе заливаемого металла), металл охлаждается чрезвычайно быстро. В результате этого в отливке образуется весьма большое число центров кристаллизации, и она приобретает чрезвычайно мелкозернистую макроструктуру, что значительно повышает прочность металла (на 25 – 40 % по сравнению с литьем в песчаные формы). - идентичность размеров. При сравнении размеров мелких шестерен, полученных литьем под давлением, с размерами шестерен, у которых зуб был изготовлен фрезерованием, ясно, что у литых деталей, где не сказывается износ режущего инструмента, размеры зуба закономерно повторяются на всех отливках;- коррозионная стойкость и гидравлическая герметичность. При наличии прочной непроницаемой поверхностной корочки, имеющей повышенную плотность и твердость, повышается коррозионная стойкость деталей, полученных литьем под давлением, и обеспечивается их гидравлическая герметичность;- высокая производительность. По производительности процесс литья под давлением далеко превосходит не только все существующие способы литья, но и все способы изготовления подобных деталей путем обработки металла, включая даже холодную штамповку сложных деталей, изготовляемых в две и больше операций. Это достигается благодаря высокой производительности машин и также в результате устранения дальнейшей механической обработки отливок и возможности применять многоместные формы.- возможность изготовления деталей весьма сложной конфигурации, которые очень трудно, а иногда невозможно получить обычными способами механической обработки. ЗаключениеВ работе были изучены условия работы шестерни и возможные дефекты, причины их возникновения.Проведен выбор марки стали 30ХГФРЛ для изготовления литых шестерен прокаливаемостью не менее 25 мм. В качестве термической обработки назначены:- предварительная термообработка – отжиг;- окончательная термообработка – улучшение (закалка и высокий отпуск).После термической обработки шестерен из стали 30ХГФРЛ структура – сорбит отпуска по всему сечению отливки, твердость – 196-255 HB.720090252095Изм.Лист№ докум.ПодписьДатаЛист221.001.00.00–ПЗ00Изм.Лист№ докум.ПодписьДатаЛист221.001.00.00–ПЗИзм.Лист№ докум.ПодписьДатаЛист221.001.00.00–ПЗИзм.Лист№ докум.ПодписьДатаЛист221.001.00.00–ПЗСписок использованных источников720090252095Изм.Лист№ докум.ПодписьДатаЛист231.001.00.00–ПЗ00Изм.Лист№ докум.ПодписьДатаЛист231.001.00.00–ПЗИзм.Лист№ докум.ПодписьДатаЛист231.001.00.00–ПЗИзм.Лист№ докум.ПодписьДатаЛист231.001.00.00–ПЗМарочник 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.Марочник сталей и сплавов. 2-е изд., доп. и испр. / А.С. Зубченко, Н.М. Колосков, Ю.В. Каширский и др. Под общей ред. А.С. Зубченко - М.: Машиностроение, 2003, 784 с.Адаскин, А. М. Материаловедение и технология материалов [Текст] : учебное пособие / А. М. Адаскин, В. М. Зуев. – 2-е издание. – М.: Форум: Инфра-М, 2016. – 336 с. (Профессиональное образование).Арзамасов, Б. Н. Материаловедение [Текст]: учеб. для вузов / Б. Н. Арзамасов, В. И. Макарова, Г. Н. Мухин и др. – М: МГТУ им. Баумана, 2004. – 648 с.Гузанов, Б. Н. Классификация и правила маркировки металлических материалов [Текст]: учеб. пособие. Специальность 280705 пожарная безопасность. Направление подготовки 280700 Техносферная безопасность / Б. Н. Гузанов, А. В. Алимов. – Екатеринбург: Уральский институт ГПС МЧС России, 2014. – 41 с.Колесов, С. Н. Материаловедение и технология конструкционных материалов [Текст]: учеб. для вузов / С. Н. Колесов, И. С. Колесов. – М.: Высшая шк., 2004. – 519 с.Пейсахов, А. М. Материаловедение и технология конструкцион-ных материалов [Текст]: учеб. для вузов / А. М. Пейсахов, А. М. Кугер. – СПб.: изд-во Михайлова, 2004. – 407 с.Фетисов, Г.П. Материаловедение и технология материалов [Тескт]: Учебник / Г. П. Фетисов, Ф. А. Гарифуллин. – М.: ИНФРА-М, 2015. – 397 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. – 576 с.Дриц М.Е., Москалев М.А. Технология конструкционных материалов и материаловедение: – М.: Высшая школа, 1990. – 446 с.Термическая обработка в машиностроении: Справочник /Под. ред. Ю.М. Лахтина, А.Г. Рахштата. - М.: Машиностроение, 1980. - 320 с.