Технологические процессы термической обработки.

Изготовление зубчатых колес - многооперационный технологический процесс, где операции механической обработки сочетаются с операциями термической и химико-термической обработки деталей.

Исходя из заданных технических условий и принятой марки стали, а также учитывая технологические инструкции проектируем технологический процесс изготовления зубчатых колес, включающий в себя следующие операции (см. рисунок 3.1 и приложениеА):

1. Входной контроль:

2. Предварительная термическая обработка

Для получения мелкого и равномерного зерна, улучшения обрабатываемости при механической обработке, и получения требуемого комплекса механических свойств заготовки цементуемых деталей (поковки и штамповки). подвергаются нормализации.

Нормализацию проводят при нагреве выше точки А_С3 на 30 - 50ºС с выдержкой, необходимой для полного и равномерного нагрева садки в печи и затем охлаждение на воздухе.

 

 

Так как некоторые легированные стали после нормализации имеют закаленную структуру, их подвергают высокотемпературному отпуску.

Режим нормализационного отжига стали 20Х3Н3МФБА:

температура посадки t = 600 – 940ºС, температура нагрева t = 940^±10 ºС, продолжительность нагрева 3 ч, время выдержки 2ч, охлаждение – воздух 8-12 часов.

Режим высокотемпературного отпуска стали 20Х3Н3МФБА:

температура посадки t = 400 – 700ºС, температура нагрева t = 700^±20 ºС, продолжительность нагрева 3 ч, время выдержки 3ч, охлаждение – воздух.

 

3. Механическая обработка - процесс получения деталей требуемых размеров, форм и качества поверхностей, отвечающих требованиям чертежа.

4. Цементация. Эксплуатационную прочность зубчатых колес повышают путем упрочнения рабочей поверхности. Наиболее простым и распространенным способом термического поверхностного упрочнения служит цементация. Её применение повышает прочность зуба в 3 – 4 раза.

Цементацией стали называется процесс поверхностного насыщения стальных изделий углеродом. Для поверхностного насыщения стальных изделий углеродом их нагревают в богатых углеродом средах, которые называются карбюризаторами. В зависимости от используемого карбюризатора различают три вида цементации: в твердом карбюризаторе, газовую и жидкостную. Наиболее совершенной является газовая цементация, т.к. имеет ряд преимуществ:

1) можно получить заданную концентрацию углерода в слое;

2) сокращается длительность процесса, т.к. отпадает необходимость прогрева твердого карбюризатора;

3) поверхность стали насыщается углеродом с повышенной скоростью и весь цикл резко сокращается, т.к. карбюризатор в процесс цементации непрерывно обновляется путем подачи в рабочее пространство печи свежего газа;

4) отпадает необходимость транспортировки и хранения и хранения угольного порошка, цементационных ящиков

5) обеспечивается возможность механизации процесса.

Сущность газовой цементации заключается в то, что цементуемые изделия нагревают в герметически закрытом рабочем пространстве печей, куда в течение всего процесса цементации непрерывно подается цементующий газ. При нагреве в области температуры цементации такие газы разлагаются и выделяют на поверхности цементуемых изделий атомы активного углерода, который диффундирует в глубь металла.

Наиболее качественный цементованный слой получается при использовании в качестве газового карбюризатора природного газа, т.к. он имеет высокую цементирующую активность, что объясняется постоянством химического состава. Природный газ имеет следующий химический состав: СН₄ = 98%, С₂Н₆ + С₃Н₈ = 0,5%, С₄Н₁₀ = 0,02%, N₂ = 1,18%, СО₂ = 0,3%.

 

Влияние СО₂ как обезуглероживающего газа не отражается на процесс цементации вследствие небольшого его содержания. Природный газ подается в

цементационную печь непосредственно из газопровода под давление 3920Па (400мм в.ст.). Процесс подачи ведется по ступенчатому режиму. В первый период

активного насыщения в печь подается большое количество газа. Во второй периоде подачу газа сокращают. Этот метод позволяет уменьшить расход газа, сажистые осадки и получить удовлетворительную чистоту поверхности.

Цементацию проводят при температурах выше А_С3 т.к. диффузионная подвижность углерода в γ-железе значительно выше, чем в α-железе. При этом, чем выше температура нагрева, тем больше скорость диффузии атом углерода и тем за более короткое время можно получить цементованный слой определенной глубины. Но при слишком высокой температуре цементации в цементованном слое появляется грубая цементитная сетка и растут зерна аустенита, т.е. происходит перегрев стали, что сопровождается понижение механических свойств цементованных изделий. Также высокотемпературная цементация может вызвать повышенное коробление деталей. Поэтому на практике температура цементации обычно только на 20 - 30 ºС выше точки А_С3 и устанавливается в интервале 900 - 1000°С.

Изделия, подлежащие цементации, необходимо укладывать так, чтобы цементуемые поверхности – зубья, выступы, канавки пр. во время процесса насыщения интенсивно омывались газами. В противном случае на отдельных участках деталей образуются застойные мешки, поступление активного углерода к таким участкам задерживается, а после цементации на таких поверхностях образуются зоны слабого насыщения – «мягкие пятна». Зубчатые колеса при цементации не должны соприкасаться, зазор между цементуемыми поверхностями должен быть не менее 10мм.

Общая продолжительность цементации слагается из суммы времени, необходимого для прогрева деталей до рабочей температуры процесса, времени выдержки при этой температуре для получения цементованного слоя заданной глубины и времени подстуживания, если оно производится в печи.

В процессе подстуживания в печи поддерживается атмосфера, исключающая процесс обезуглероживания.

После цементации охлаждение обрабатываемых деталей производится на воздухе или в закалочной среде.

При правильно выполненной цементации стали цементованный слой должен состоять из трех зон:

1-ая заэвтектоидная, состоящая из перлита и вторичного цементита, образующего сетку по бывшему зерну аустенита;

2- ая эвтектоидная, состоящая из пластинчатого перлита;

3-я доэвтектоидная, состоящая из перлита и феррита.

Содержание углерода в поверхностной зоне цементованного слоя составляет 0,8-1,0%C, при таком его количестве сталь обладает высокой износостойкостью. Дальнейшее увеличение содержание углерода уменьшает пределы выносливости и прочности стали при статических и динамических испытаниях.

Режим цементации марки стали 20Х3Н3МФБА на глубину 1,2 – 1,6 мм:

температура посадки t = 910^-50ºС; продолжительность нагрева 2 часа; температура цементации t = 910^±10ºС; время выдержки 12 – 16 ч; охлаждение стали после цементации производиться с печью до t = 860^±10ºС в течении двух часов с расходом газа 10-15 делений по ротаметру, охлаждение с t =860^±10ºС на воздухе в течение 4-8 часов.

 

5. Высокотемпературный отпуск

Для разложения остаточного аустенита после цементации применяют высокий отпуск. Это способствует переходу хрома из твердого раствора в карбиды. Обогащенные хромом карбиды при нагреве под закалку растворяются менее полно, что приводит к уменьшению содержания хрома и углерода в аустените. Устойчивость аустенита уменьшается, и после закалки содержание остаточного аустенита в цементованном слое снижается. В результате высокого отпуска снижается также твердость, что позволяет после этой операции

производить дальнейшую механическую обработку.

Режим высокотемпературного отпуска после цементации для стали 20Х3Н3МФБА:

температура нагрева 700^±10ºС, продолжительность нагрева – 2 ч, время выдержки 2 ч, охлаждение до ≤200ºС с печью 5-6 ч., далее на воздухе.

Разрыв по времени между цементацией и высокотемпературным отпуском должен быть не более 4– 8 часов.

6. Контроль ЦЗЛ: определяется глубина и микроструктура цементованного слоя, контроль концентрации углерода в цементованном слое.

7. Механическая обработка заключается в снятие слоя, не подлежащего цементации, расточке отверстий.

8. Окончательная термическая обработка цементованных изделий.

Окончательные свойства цементованные изделия приобретают в результате термической обработки выполняемой после цементации. Эта обработка необходима для того, чтобы исправить структуру, измельчить зерно сердцевины и цементованного слоя, неизбежно увеличивающееся во время длительной выдержки при высокой температуре цементации, получить высокую твердость в цементованном слое и хорошие механические свойства сердцевины.

9.1 Закалка. В большинстве случаев, особенно при обработке наследственно мелкозернистых сталей, применяют закалку выше точки А_С1 (сердцевины) при t = 820 – 860ºС. Это обеспечивает измельчение зерна и полную закалку цементованного слоя и частичную перекристаллизацию и измельчение зерна сердцевины. Высокотемпературная закалка направлена на устранение цементитной сетки.Для закалки используем масло индустриальное И12А, И 20А ГОСТ 20799.

Режим закалки после цементации для стали 20Х3Н3МФБА:

температура нагрева 845^±15ºС, продолжительность нагрева 2ч, время выдержки 1ч, охлаждение масло 30 мин. при t ≤60ºС, далее на воздухе.

 

9.2 Низкий отпуск. Заключительной операцией термической обработки цементованных изделий является низкий отпуск при t = 180ºС, переводящий мартенсит закалки в поверхностном слое в отпущенный мартенсит, снижающий напряжения и

 

улучшающий механические свойства.

В результате термической обработки цементованный слой должен иметь структуру мелкоигольчатого мартенсита и изолированных участков остаточного.

Режим низкотемпературного отпуска после закалки для стали 20Х3Н3МФБА:

температура нагрева 180 ºС, продолжительность нагрева 2ч, время выдержки 2ч, охлаждение воздух.

 

9. Очистка– дробеструйная проводится с целью удаления окалины с деталей. Для обдувки применяют дробь марки ДЧЛ или ДСЛ фракции 0,8 – 1,0 ГОСТ 1196 – 81.

11. Контроль ОТК: замер твердости

 

 

Рис. 3.1 Технология изготовления зубчатого колес