Выбор материала для данной детали и обоснование выбора

Для зубчатых колёс можно применять конструкционные цементуемые или улучшаемые стали. Учитывая, что по техническим требованиям требуются высокие характеристики, следует обратиться к легированным сталям.

Данное зубчатое колесо привода коробки агрегата авиационного двигателя работает при температуре до 300°С, поэтому для него следует выбрать одну из цементуемых теплостойких сталей с высокой твёрдостью поверхности при достаточной твёрдости сердцевины.

В настоящее время для изготовления ответственных зубчатых колёс широко применяются теплостойкие стали перлитного класса, такие как 20Х3МВФ (ЭИ415), 12Х2Н4А и 12Х2НВФА (ЭИ712)[  ], поэтому для данного зубчатого колеса следует применить цементуемые стали. Цементуемые стали делят на три группы: углеродистые стали с неупрочняемой сердцевиной; низколегированные со слабо упрочняемой сердцевиной ; относительно высоколегированные стали с сердцевиной, сильно упрочняемой при термической обработке.

Учитывая высокие требования по механическим свойствам, предъявляемые к данному зубчатому колесу, для него подходят стали третьей группы. Их химический состав и механические свойства приведены ниже в таблице1 и таблице2.

Химический состав конструкционных цементуемых сталей ГОСТ 4543-71 Таблица1

Марка	Содержание элементов, масс %
стали	С	Cr	Ni	V	W	Mo	Si	Mn	S	P	Fe
20Х3МВФА	0,15...0,20	2,80...3,30	£0,5	0,60...0,85	0,30...0,50	0,35...0,55	0,17...0,37	0,25...0,50	£0,025	£0,030	о с
12Х2Н4А	0,10...0,15	1,25...1,65	3,25...3,65	____	____	____	0,17...0,37	0,3... 0,6	£0,025	£0,025	н о
12Х2НВФА	0,09...0,16	1,9... 2,4	0,8... 1,2	0,18... 0,28	1,0... 0,28	____	0,17...0,37	0,3... 0,7	£0,025	£0,025	в а

 

Механические свойства конструкционных цементуемых сталей                     Таблица2

Марка	Термическая	sв	s0,2	d	y	KCU	HRC
стали	обработка	МПа	МПа	%	%	МДж/м³	пов.	сердц.
20Х3МВФА	цементация 920...950°С выс. отпуск 650...670°С закалка 890...930°С низ. отпуск 300...320°С	£1070	£880	£10	£50	£0,7	£60	£43
12Х2Н4А	цементация 900...950°С выс. отпуск 650...670°С зак. в масле 780...800°С низ. отпуск 150...170°С	£980	£785	£12	£55	£0,1	£58	£30
12Х2НВФА	цементация 900...925°С выс. отпуск 650 ±10°С закалка 880±10°С низ. отпуск 160...250°С	£1050	£940	£15	£63	£0,6	£60	£36

 

Сталь 20Х3МВФА - конструкционная теплостойкая высококачественная сталь. Она относится к перлитному классу и выплавляется в открытых электрических печах, методами электрошлакового и вакуумно-дугового переплава. Сталь хорошо деформируется в горячем состоянии. Сталь удовлетворительно обрабатывается резанием. Данная сталь применяется для изготовления зубчатых колёс, втулок, пальцев и других деталей, работающих до температуры 350°С. Применение этой стали для данного зубчатого колеса нецелесообразно, так как она не удовлетворяет техническим требованиям по пластичности.

Сталь 12Х2Н4А - высококачественная легированная цементуемая сталь. В отожжённом состоянии является доэвтектоидной, а в нормализованном состоянии относится к перлитному классу. Применяется для изготовления деталей сварных конструкций, а также зубчатых колёс. Сталь хорошо деформируется в горячем состоянии; температурный интервал деформации 1180-850°С. Эта сталь хорошо сваривается, имеет достаточную прокаливаемость поверхностного слоя. После окончательной термической обработки имеет большую твёрдость. Применение этой стали для данной детали не экономично: сталь содержит много дефицитного никеля и является дорогостоящей.

Сталь 12Х2НВФА - высококачественная легированная конструкционная цементуемая сталь. В отожжённом состоянии является доэвтектоидной, а в нормализованном состоянии относится к перлитному классу. Применяется для изготовления тяжело нагруженных деталей сварных конструкций и узлов, не подвергается термической обработке после сварки. Применяется также для деталей, работающих при повышенных температурах до 500°С. Эта сталь имеет высокие прочностные характеристики, невысокую стоимость. Её целесообразно применить для данной детали.

5. Описание влияния легирующих элементов на структуру и свойства

Выбранного материала

       Влияние углерода.

       Углерод содержится в стали в количестве 0,09...0,16%. Он имеет: температуру плавления 3500°С; плотность 2,26 г/см³; кристаллическую решётку ГЦК с параметром a равным 6,79Å. Углерод сильно влияет на свойства стали даже при незначительном изменении его содержания. Известно, что содержание углерода в стали приводит к повышению прочности и снижению пластичности. Данная сталь как раз и относится к третьей группе относительно высоколегированных сталей с упрочняемой сердцевиной. Сердцевина в таких сталях имеет структуру малоуглеродистого мартенсита. Для того, чтобы сердцевина при этом обладала достаточной пластичностью и вязкостью. Содержание углерода в таких сталях обычно ограничивается нижним пределом менее 0,2% углерода [   ].

Влияние хрома.

       Хром (Cr) содержится в стали в количестве 1,9...2,4%. Имеет: температуру плавления 1655°С; плотность 7,1г/см³; кристаллическую решётку ОЦК с параметром a равным 2,86Å. Хром растворяется в  и . Максимальная растворимость в =0,5% при 20°С, в =12,8% при 510°С. Хром относится к легирующим элементам, повышающим критические точки Ас3 и Ас1(рис.4).

		Рис.5 Влияние хрома

                                                                                            на твёрдость цементо-

      Рис.4 Часть диаграммы                                            ванного слоя

состояния Cr-Fe                           

Хром понижает температуру начала мартенситного превращения (Мн) и увеличивает содержание аустенита остаточного. Хром является карбидообразующим элементом: при взаимодействии с углеродом образуются карбиды Cr7C3; Cr26C3, растворяющиеся при нагреве. Хром сильно увеличивает прокаливаемость и снижает критическую скорость закалки. Хром увеличивает прочность, при содержании более 1% снижает пластичность и ударную вязкость. Хром повышает твёрдость цементованного слоя при увеличении его содержания до 2...3%. Дальнейшее увеличение содержания хрома не приводит к повышению твёрдости цементованного слоя, поэтому в данной стали содержание хрома как раз и составляет около 2% (Рис.5). Хром оказывает значительное влияние на изменение концентрации углерода в цементованном слое. При увеличении содержания хрома концентрацию углерода следует повышать. На толщину цементованного слоя и величину зерна хром не влияет.

Влияние никеля.

Никель (Ni) содержится в стали в количестве 0,8...1,2%; имеет: температуру плавления 1455°С; плотность 8,91 г/см³; кристаллическую решётку ГЦК с параметром a равным 3,51Å. Никель растворяется в  и . Максимальная растворимость в равна 80%, в  никель растворяется неограниченно, то есть является аустентообразователем. Никель понижает критические точки Ас3 и Ас1, повышает критическую точку А4 (Рис.6), понижает температуру начала мартенситного превращения (Мн), увеличивает количество аустенита и уменьшает склонность зерна аустенита к росту.

Рис.7 Влияние никеля

Рис.8 Влияние нике-

на твёрдость цемен-

ля на твёрдость це-

-тованного слоя после

ментованного слоя

                                                                  закалки и отпуска

    Рис.6 Часть диаграммы                                

состояния Fe-Ni

Сталь, легированная никелем, хорошо обрабатывается резанием, шлифуется и сваривается. Никель несколько уменьшает толщину цементованного слоя, способствует измельчению зерна сердцевины. Изменение содержания никеля от 0 до 2% не оказывает существенного влияния на теплопрочность и твёрдость стали. При содержании 0,8...1,2% в стали 12Х2НВФА никель обеспечивает хорошие механические свойства. Никель повышает прочность и делает сталь менее чувствительной к пластической деформации. Никель оказывает большое влияние на структуру и свойства цементованного слоя (Рис.7). Он затрудняет диффузию углерода, вызывает уменьшение глубины слоя. В сталь нельзя вводить большое количество никеля, так как уменьшается твёрдость цементованного слоя за счёт образования остаточного аустенита (Рис.8). Никель в комбинации с другими элементами, например с хромом, способствует увеличению прочности при повышенных температурах. Это единственный элемент, который повышая твёрдость и прочность, не снижает пластичность и вязкость.

Влияние вольфрама.

Вольфрам (W) содержится в стали в количестве 1,0...1,4%. Имеет: температуру плавления 3410°С; плотность 19,3 г/см³; кристаллическую решётку ОЦК с параметром a равным 3,16Å. Вольфрам повышает критическую точкуА1, тем самым он сужает

- область и расширяет - область (Рис.9).

 

Вольфрам образует карбид W2C, который при нагреве легко растворяется в аустените. При наличии вольфрама критическая скорость закалки снижается, а прокаливаемость повышается. Уменьшается склонность к росту зерна аустенита, повышается ударная вязкость. Вольфрам намного увеличивает твёрдость цементованного слоя, уменьшает чувствительность к перегреву. Вольфрам измельчает структуру стали и увеличивает содержание углерода в поверхностном слое.

           

        Рис.9 Часть диаграммы

           состояния Fe-W

Присутствие в стали вольфрама препятствует образованию грубой цементитной сетки, обуславливающей хрупкость поверхностного слоя при увеличении глубины слоя цементации. Вольфрам сильнее хрома повышает устойчивость стали против отпуска. Вольфрам отрицательно влияет на тепопроводность стали. Таким образом вольфрам, в данной стали повышает твёрдость цементованного слоя.

Ванадий (V) содержится в стали в количестве 0,18...0,28%. Имеет: температуру плавления 1710°C; плотность 5,96 г/смі; кристаллическую решётку ОЦК с параметром a равный 3,03Å. Ванадий повышает критические точки А1 и А3 и понижает критическую точку начала мартенситного превращения (Рис.10). ванадий задерживает рост зерна аустенита при высоких температурах закалки. Ванадий незначительно повышает концентрацию углерода в цементованном слое. При высоком содержании ванадия глубина цементованного слоя уменьшается.

Влияние ванадия.

           

     Рис.10 Часть диаграммы

           состояния Fe-V

Ванадий является сильным карбидообразующим элементом, способен упрочнять твёрдый раствор. При взаимодействии с углеродом ванадий образует карбид VC и тем самым повышает твёрдость цементованного слоя.

6. Разработка технического процесса термической обработки детали

6.1 Выбор операций термической обработки и определение режимов операций

       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 перспективным 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.

       Для легированных сталей температура цементации применяется выше точки Ас3, когда устойчив аустенит, способный растворить в больших количествах углерод. Для стали 12Х2НВФА 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%. После цементации структура цементованного слоя приведена на рисунке 11.

 

Рис.11 Структура цементованного слоя

Расчёт времени нагрева и выдержки при цементации.

Общее время пребывания детали в печи:

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

Время нагрева рассчитывается по способу Смольникова [ ]:

- суммарный физический фактор нагрева, зависящий от температуры нагрева, нагревательной среды и материала детали, мин/см; - коэффициент равномерности нагрева; - геометрический показатель тела равный отношению объёма тела V к площади его поверхности F:

       Для данной детали, имеющей форму полого цилиндра, геометрический показатель тела W равен:

D-наружный диаметр детали, см; d-внутренний диаметр детали, см; l-длина детали, см.

Размеры данной детали следующие: D=3,6 см, d= 1,2 см, l=6,9 см.

 Нагрев детали происходит в газовой атмосфере, поэтому коэффициент К принимаем равным =45 мин/см [ ], а при выбранном расположении детали =1,4 , тогда:

Следовательно, время нагрева детали составляет:

Данная сталь является высоколегированной, имеет пониженную теплопроводность, поэтому её нагрев происходит медленнее. Следует увеличить время нагрева на 30%: Требуется время на нагрев приспособления, поэтому полученное значение  следует увеличить ещё на 30%: Принимаем  равным 1 час.

           

   Рис.12 График режима

             цементации

 

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 должно составлять 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.

В изделиях из высоколегированных хромоникелевых сталей после цементации в структуре цементованного слоя сохраняется много остаточного аустенита. Для его устранения проводят высокий отпуск 650°С в течение 2-10ч [ ]. При таком отпуске происходит выделение дисперсных карбидов из остаточного аустенита, твёрдый раствор обедняется углеродом и легирующими элементами, повышаются температуры начала и конца мартенситного превращения, что в итоге приводит к уменьшению количества остаточного аустенита при последующей закалке. Такой высокий отпуск необходимо применять и для данной стали[ ].

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, имеющего геометрический показатель тела W, равный 0,5 мм. Время нагрева при отпуске с температурой 650°С рассчитывается по формуле [ ]:

Условная толщина равна фактической толщине деталей умноженной на коэффициент формы, который принимаем равным 2 [ ]: Фактическая толщина равна: Следовательно, время нагрева равно:

           

Рис.13 График режима высокого

                    отпуска

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

.

Время выдержки определяем с учётом структурных превращений, которые должны произойти при высоком отпуске цементованного изделия. Как следует из литературных данных  равно 2-4 ч. Принимаем  равным 3ч [   ]:

ч

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 12Х2НВФА 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.

 

Расчёт времени нагрева и выдержки при закалке.

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

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

Время подогрева рассчитывается по способу Смольникова [ ]:

- суммарный физический фактор нагрева, зависящий от температуры нагрева, нагревательной среды и материала детали, мин/см; - коэффициент равномерности нагрева; - геометрический показатель тела.

Коэффициент К принимаем равным =45 мин/см [ ], =1,3 мин/см[ ],W=0,51см (см. ранее). Следовательно, 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.

       Далее деталь переносят в другую печь с температурой 880°С. Время окончательного подогрева рассчитывается аналогично времени подогрева по способу Смольникова [ ]:

       При наличии предварительного подогрева расчётное время нагрева уменьшают на 20-30% [   ], тогда:

Принимаем время окончательного нагрева равным 20мин.

 

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:

 

               Рис.14 График режима закалки

 

 

Принимаем время окончательной выдержки равным 30мин.

Общее время:

 Обработка холодом.

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. По справочным данным [ ] время выдержки для структурных превращений принимаем 2 ч.

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.

 

Рис.15 График обработки

          холодом

 

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 [ ].

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. По справочным данным [ ] для данной детали, имеющей W равный 0,51см, время нагрева для отпуска принимаем 40мин.

Время выдержки при низком отпуске определяется следующим образом:

 

Фактическая толщина равна: Следовательно, время выдержки равно: ч ч25мин

 

Рис.16 График режима

низкого отпуска

При низком отпуске мартенсит закалки переходит в мартенсит отпуска.

6.2 Выбор оборудования для всех операций технологического процесса

Определение типа производства.

Тип производства определяется по коэффициенту закрепления операции:

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

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

       Штучное время рассчитывается по формуле:

 - 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 4180ч, годовая программа выпуска равна 200000шт.

 

; ;

[                        ]; [                       ]; [                      ]

;

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

Выбор основного оборудования.

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.