Технология упрочнения вакуумно-плазменными покрытиями на основе вала-шестерни

Размещено на http:\\www.allbest.ru\

Содержание

Реферат

Введение

1. Производственно-технологическая часть

1.1 Характеристика и условия эксплуатации изделия, требования к материалам

1.2 Номенклатура изделий и маршрутная технология их изготовления

1.3 Характеристика материалов изделия

1.4 Обзор литературы и патентов

1.5 Выбор и технико-экономическое обоснование технологического процесса термической обработки

1.6 Выбор и расчет количества оборудования

1.7 Разработка планировки участка (отделения, цеха) и грузопотоков

1.8 Технический контроль

2. Специальная часть

3. Теплотехническая часть

4. Обоснование экономической эффективности внедрения ионного азотирования а вала-шестерни из стали

5. Автоматизация технологических процессов термической обработки

6. Охрана труда и окружающей среды, противопожарные меры

Выводы

Литература

Реферат

Дипломная работа специалиста содержит: содержит 106 страниц, 23 рисунков, 16 таблиц та 21 источник литературы.

Вал-шестерня является составной частью редуктора двигателя тележки изложниц. Вал-шестерня - это прямой вал, имеющий форму тела вращения с нарезными шестернями.

Вал-шестерня служит для передачи крутящего момента вдоль своей оси и для поддержания вращающихся деталей машин редуктора, а именно зубчатых колёс, валов-шестерней и так далее.

Данная деталь подвергается воздействию знакопеременного нагружения. Основными причинами, влияющими на снижение надёжности и долговечности валов-шестерней, являются различные виды изнашивания и повреждения их рабочих поверхностей, а также усталостные разрушения.

Для упрочнения деталей была выбрано Ионное азотирование ..

Существующая термическая обработка для удовлетворения высоких требований, предъявляемых к механическим свойствам на поверхности и в сердцевине необходимо подвергать сложной термической обработке. Предлагаемые методы термической обработки вала-шестерни позволяют значительно повысить долговечность изделия, что ведет к снижению количества запасных деталей и, следовательно, экономически более выгодно.

Способ получения заготовки - ковка.

Исходя из условий эксплуатации и технических условий, выбрана марка стали 40Х .

Ключевые слова: вал-шестерня, усталостное выкрашивание, заедание, конструкционная прочность, протяжка, нормализацыя, термоулучшение, остаточный аустенит, азотирование, азотированный слой.

Введение

Одним из обязательных требований при конструировании и производстве современных машин и оборудования является увеличение его производительности. Повышение загруженности и напряженности эксплуатации машин не может не сказаться на их надежности, поскольку повышение скоростей относительных перемещений конструируемых деталей, повышенные силовой и температурный нагрузки быстрее исчерпывают первоначальные, созданные на стадии изготовления, рабочие ресурсы. Для отказа машины в целом достаточно потери работоспособности лишь у одной детали.

Интенсификация рабочих режимов и тяжелые эксплуатационные условия создают предпосылки для быстрого выхода из строя отдельных деталей машин. Во многих случаях надежность машин достигается в первую очередь путем обеспечения объемной и поверхностной прочности материалов при действии нагрузок, среды и температуры. Процессы объемного разрушения протекают в результате накопления в материале дефектов его структуры, приводящих к макроскопическим разрушениям. Как правило, поверхностные слои детали подвергаются наиболее сильному механическому, тепловому, химическому и другим видам воздействия. Потеря деталью (в нашем случае «вал-шестерня») работоспособности происходящий с поверхности в результате изнашивания, эрозии, скалывания зубьев и т.д.

Поэтому значительный ресурс повышения работоспособности заключается в материале, из которого изготавливают детали и их термоупрочнении.

Одним из эффективных средств сокращения расхода инструмента при сокращении высокого уровня производительности металлообработки является применение инструмента с износостойкими покрытиями. Износостойкие покрытия позволяют получить рабочие поверхности инструмента с необходимыми служебными характеристиками, как правило, не изменяя свойств основного инструмента. Особенной разновидностью азотирования является ионно-плазменное азотирование. Данный метод является одной из разновидностей химико-термической обработки деталей машин, различного инструмента, литьевой и штамповой оснастки, которая обеспечивает диффузное насыщение поверхностного слоя азотом и углеродом в азотно-водородной плазме при температуре 400-600 C, а также титана и его сплавов при температуре 800-950 C в азотной плазме. Существуют специальные автоматизированные аппараты качественного проведения процесса азотирования.

Ещё одним новшеством является каталитическое газовое азотирование. Это новая технология низкотемпературной химико-термической обработки машин и различного инструментария. Уникальность данного метода состоит в том, что он сокращает длительность обработки в 2-4 раза. В то же время срок службы обработанного материала увеличивается в 1,5-3 раза, что превосходит показатели традиционного газового азотирования. Неоспоримым достоинством являются стабильные результаты по качеству наложения слоя.

Можно однозначно утверждать, что азотирование нашло своих почитателей и вполне успешно используется для покорения новых высот в области прочности металла, а также для достижения поставленных целей при работе с металлом, используемым в тяжелых температурных условиях.

Применение изделий с износостойкими покрытиями позволяет решить целый комплекс важных износостойких задач:

значительное повышение стойкости и надежности процессов детали.

сокращение удельного расхода дорогостоящих материалов и остродефицитных элементов (вольфрам, молибден, тантал, кобальт) для из изготовления.

расширение эффективной области использования твердых сплавов.

увеличение качества поверхностного слоя и точности размеров обработанных деталей.

улучшение обрабатываемости сложнолегированных сталей и сплавов.

повышение механических способности инструментов, изготовления из низколегированных материалов.

Цель: Получение износостойкого покрытия на основе нитрида хрома(СrN), на напайной твёрдосплавный инструмент. Используя установку вакуумно-плазменного напыления «НГВ -6.6.- И1»..

Задача: Разработать технологию упрочнения вакуумно-плазменными покрытиями на основе (CrN) вал-шестерни .

1.Производственно -технологическая часть

1.1 Характеристика та условие эксплуатации изделий, требование до материалов

Для обеспечения надежности работы агрегата в эксплуатационных условиях главный масляный насос, как правило, устанавливается на валу колеса редуктора.

Рисунок 1.1- Редуктор одноступенчатый

Вал -шестерня служит для передачи вращательных движений между отдельными элементами механизмов.

Вращение передаётся через зубчатое зацепление. Отказ или разрушение вал-шестерни влечёт за собой прекращение передачи крутящего момента и отказ двигательных агрегатов. Наиболее загруженной частью вал-шестерни является зуб. На рисунок. 1.2 показана схема зацепления зубьев.

В точке контакта наблюдается перекатывание и скольжение зубьев.

Максимальное скольжение наблюдается на ножках и головках зубьев, на начальной окружности оно равно нулю и изменяет направление.

От скольжения в зацеплении образуется еще сила трения F = Q · f. Трение является причиной потерь в зацеплении и износа зубьев. Под действием этих сил зуб имеет сложное напряженное состояние.

Решающее влияние на его работоспособность оказывают два основных напряжения: контактные напряжения у_к и напряжения изгиба у_и. Для каждого зуба у_к и у_и не являются постоянно действующими.

Рисунок 1.3.- Условия работы зуба в зацеплении

Концентрация нагрузки и динамические нагрузки различно влияют на прочность по контактным и изгибным напряжениям.

На боковой поверхности косого зуба линия контакта располагается под некоторым углом б (рисунок 1.3, а). Угол б увеличивается с увеличением в.

По линии контакта нагрузка распределяется неравномерно. Ее максимум на средней линии зуба, так как при зацеплении серединами зубья обладают максимальной суммарной жесткостью.

Рисунок 1.4.- Влияние нагрузки на боковую поверхность зуба

При движении зуба в плоскости зацепления линия контакта перемещается в направлении от 1 к 3 (рисунок 1.4). При этом опасным для прочности может оказаться положение 1, в котором у зуба отламывается угол. Трещина усталости образуется у корня зуба в месте концентрации напряжений и затем распространяется под некоторым углом м. Вероятность косого излома отражается на прочности зубьев по напряжениям изгиба, а концентрация нагрузки q - на прочности по контактным напряжениям.

Переменные напряжения являются причиной усталостного разрушения зубьев: поломка зубьев от напряжений изгиба и выкрашивание их поверхности от контактных напряжений.

С трением в зацеплении связаны износ и заедание поверхностей зубьев. Ниже будут рассмотрены все виды разрушения зубьев.

Причины выхода из строя вал-шестерни

Поломки зубчатого колеса в большинстве случаев носят усталостный характер и происходят в зоне концентраторов напряжений (рисунок. 1.5).

Рисунок 1.5.- Поломка колеса зубчатого

Кроме действующих на колесо переменных сил и моментов, необходимо также иметь в виду силы трения, возникающие в подшипниках скольжения.

В подшипниках скольжения при нормальной работе присутствует жидкая или консистентная смазка, которая надежно предохраняет поверхности трения от образования металлического контакта. При определенных соотношениях нагрузки, вязкости смазки и скорости трущихся поверхностей непосредственного контакта между поверхностями не возникает и износ деталей незначителен.

Большое влияние на износ поверхностей деталей оказывает среда, в которой они работают. Вал-шестенря, представленное в данной работе работает в неагрессивных средах.

Многократное приложение к валу знакопеременных нагрузок при недостаточном запасе прочности или при наличии концентраторов напряжений может вызвать его усталостное разрушение.

Имеются случаи выхода вала из строя, вызванные обычно повреждениями зубьев. Наиболее распространенными видами повреждений зубьев являются усталостные контактные разрушения рабочих поверхностей и усталостная поломка. Значительно реже наблюдается заедание или износ.

Поломки и пластические деформации зубьев от статически приложенной нагрузки крайне редки и могут возникнуть в результате кратковременных пиковых перегрузок, например, при внезапной остановке оборудования или при попадании в зацепление постороннего предмета.

Контактные разрушения могут быть поверхностными или глубинными. Оба вида разрушений представляют собой усталостное явление, при котором

трещины образуются под действием знакопеременных напряжений на поверхности материала или в глубине. Появление того или другого вида разрушения зависит от соотношения между действующими напряжениями и сопротивлением материала усталости самого по сечению зуба.

Глубинное разрушение характерно для материалов с химико-термическим упрочнением поверхности, хотя в некоторых случаях оно может развиться и в термически улучшенных сталях.

Одной из типичных причин потери работоспособности зубчатых передач редукторов является повреждение зубьев в результате заедания.

Повреждения зубьев при заедании происходят по последовательно развивающимся стадиям: от легкого натира - возникновения неразличимых невооруженным взглядом неглубоких коротких рисок, ориентированных в направлении относительного скольжения профилей - до очень сильной формы задира с характерными широкими и глубокими бороздами, слившимися между собой, наличием вырывов металла, наростов и оплавления поверхностных слоев металла.

Усталостное выкрашивание от контактных напряжений (рисунок. 1.6, а) является основным видом разрушения поверхности зубьев при хорошей смазке передачи (закрытые, сравнительно быстроходные передачи, защищенные от пыли и грязи). Зубья таких передач разделены тонким слоем масла, устраняющим металлический контакт. При этом износ зубьев мал.

Рисунок 1.6. -Повреждение поверхности зубьев.

а) усталостное выкрашивание;

б) абразивный износ;

в) заедание.

Передача работает длительное время до появления усталости в поверхностных слоях зубьев. На поверхности появляются небольшие углубления, напоминающие оспинки, которые растут и превращаются в раковины. Выкрашивание начинается обычно вблизи полюсной линии на ножках зубьев там, где нагрузка передается одной парой зубьев, а скольжение и перекатывание зубьев направлены так, что масло запрессовывается в трещины и способствует выкрашиванию частиц металла.

Поверхностное выкрашивание обычно наблюдается на ножках зубьев вблизи полюсной линии (рисунок. 1.7).



Рисунок.1.7. -Выкрашивание на ножках и глубинные разрушения на головках зубьев

Это объясняется тем, что в околополюсной зоне увеличиваются силы трения, снижающие контактную прочность.

При выкрашивании нарушаются условия образования сплошной масляной пленки, появляется металлический контакт с последующим быстрым Износом или задиром поверхности. Образование первых усталостных раковин не всегда служит признаком близкого полного разрушения зубьев.

При высокой твердости зубьев образовавшиеся раковины быстро растут вследствие хрупкого разрушения их краев.

Абразивный износ является основной причиной выхода из строя передач при плохой смазке. К таким передачам относятся передачи, недостаточно защищенные от загрязнения абразивными частицами (пыль, продукты износа и тому подобное). У изношенной передачи увеличиваются зазоры в зацеплении, появляется шум, возрастают динамические нагрузки. В то же время прочность изношенного зуба понижается вследствие уменьшения площади его поперечного сечения.

Для поверхностно упрочненных материалов развитие глубинной трещины в перпендикулярном к поверхности направлении заторможено сопротивлением слоя, имеющего более высокую твердость, поэтому трещина распространяется в сердцевине параллельно слою, который, оказываясь лишенным опоры, растрескивается. В итоге с упрочненной поверхности отделяются большие куски материала, что выводит передачу из строя. В связи с этим глубинные разрушения могут оказаться более опасными, чем поломка зубьев.

Как и при поверхностном выкрашивании, при глубинных разрушениях наблюдается пластическое деформирование материала, захватывающее переходную зону и прилегающие к ней участки сердцевины.

Усталостная поломка зубьев является одним из наиболее опасных видов разрушения, происходящая от действия переменных напряжений в течение сравнительно длительного срока службы (рисунок. 1.8).

Особое значение имеют меры по устранению концентраторов напряжений (рисок от обработки, раковин и трещин в отливках, микротрещин или термообработки и тому подобное).

Рисунок 1.8. -Поломка зубьев

Усталостные трещины на зубьях, нарезанных на жестком ободе и работающих при отнулевом цикле напряжения, возникают на переходной кривой в месте максимальной концентрации напряжений на растянутой стороне зуба, что объясняется снижением усталостной прочности материала под действием растягивающих напряжений.

Первоначально трещина развивается перпендикулярно касательной к переходной кривой зуба.

Затем из-за роста напряжений в неповрежденной части сечения зуба трещина обычно поворачивает и выходит на нерабочую сторону зуба. Когда помимо напряжений изгиба в корне зубьев в массивном ободе колеса возникают значительные напряжения другого происхождения, трещина, идущая от корня зуба, может не выйти на противоположный профиль, а развивается вглубь, в результате чего выламывается кусок обода в форме сегмента с несколькими зубьями.

Большие контактные давления при высокой окружной скорости обусловливают увеличение тепловыделения и, как следствие, возникновение высоких температур в местах локального контакта зубьев. Это может привести к утонению и потере несущей способности масляной пленки, вследствие чего происходят схватывание и заедание контактирующих поверхностей зубьев.

Заедание может проявляться в легкой и тяжелой форме. В первом случае на рабочих поверхностях зубьев возникают слабые царапины и риски, ориентированные в направлении скольжения (рисунок.1.5, в). Поверхности приобретают полированный вид, работа передачи сопровождается некоторым износом, не вызывающим выхода ее из строя. При тяжелой форме заедания (задир) происходят отделение частиц с рабочих поверхностей, перенос металла с более мягкой поверхности на более твердую, образование наваренных хребтов, глубоких рисок, наростов и вырывов металла, приводящих, как правило, к искажению рабочих поверхностей зубьев, к повышенному шуму, нагреву колес и быстрому выходу передачи из строя (рисунок. 1.9).



Рисунок. 1.9. -Тяжелая форма заедания рабочих поверхностей зубьев

Начавшийся процесс заедания не всегда влечет за собой немедленный выход передачи из строя. Иногда заедание носит ограниченный характер и с течением времени прекращается.

Износ рабочих поверхностей зубьев тем больше, чем больше их удельное скольжение и контактные напряжения в зацеплении. Так как наибольшее удельное скольжение имеет место в начальной и конечной точках контакта зубьев, то наибольший износ появляется на ножках и головках зубьев. Недостаточная толщина масляной пленки способствует усилению износа. Уменьшение толщины пленки и даже ее разрыв возможны при перегрузках и в периоды пуска и остановки передачи.

Загрязненность масла абразивными частицами значительно усиливает износ. Вследствие износа искажается профиль зубьев, ослабляется их основание, возрастает динамическая нагрузка, увеличиваются напряжения в зоне переходной поверхности зуба.

Отслаивание твердого поверхностного слоя зубьев наблюдается при недостаточно высоком качестве термической обработки, подвергнутых поверхностному упрочнению, когда внутренние напряжения не сняты отпуском или когда хрупкая корка зубьев не имеет под собой достаточно прочной сердцевины. Отслаиванию способствуют перегрузки.



Рисунок 1.10- профиля зубьев колеса методом перенарезки червячной фрезой: 1 - первоначальный профиль зуба, 2 - разрушения поверхности зуба при заедании, 3 - профиль зуба после отслаиваня.

Исходя из выше изложенного эксплуатационные дефекты зубчатой передачи условно можно разделить на следующие виды: абразивный износ зубчатого зацепления, выкрашивание зубьев (питтинг) зубчатых колес, трещины и излом зубьев зубчатых колес и заедание зубчатых колес.

Технические требования на свойства готовой детали.

Под конструкционной прочностью понимают комплекс механических характеристик материала, которые обеспечивают надежную и длительную работу материала в условиях эксплуатации. Это комплексная характеристика материала: критерии прочности, надежности и долговечности, которые зависят от конкретных условий нагружения и эксплуатации деталей.

Пределы выносливости являются основными характеристиками конструкционной прочности валов-шестерней.

Усталостным называется разрушение материала в условиях многократно повторяющихся циклов напряжений. Свойство материала сопротивляться усталостному разрушению называется выносливостью.

Отличительной особенностью усталостного разрушения является то, что разрушение начинается на поверхности или вблизи поверхности детали. Поэтому структурное состояние поверхности, ее чистота, наличие внешних и внутренних концентраторов напряжений (Кет), характер напряженного состояния оказывают определяющее влияние на предел выносливости.

Надежность характеризуется вероятностью безотказной работы материала при его эксплуатации.

Эксплуатационные отказы делятся на постепенные и внезапные.

Постепенные отказы вызываются чрезмерным износом и усталостным разрушением. Путь борьбы с постепенным отказом - правильный инженерный расчет, предусматривающий создание запаса прочности.

Внезапные отказы - следствие хрупкого разрушения материала, поэтому конструкционные материалы должны обладать достаточной вязкостью (КСU) и пластичностью (д, ш). Необходимо также учитывать так называемую трещиностойкость. Трещиностойкость - это группа параметров, характеризующая способность материала тормозить развитие трещины. Наиболее часто из них используется критерий Ирвина (Ki), который определяет напряжение внутри вершины трещины.

Важной характеристикой надежности является порог хладноломкости (Т₅₀). При понижении температуры в таких сплавах ударная вязкость резко уменьшается в связи с переходом от вязкого к хрупкому состоянию. Т₅₀ - это температура, при которой работа по распространению трещины уменьшается наполовину.

Чем больше температурный запас вязкости Траб-Т₅₀, тем надежнее сталь в эксплуатации. Снижению Т₅₀ способствует измельчение зерна, легирование сталей никелем, термообработка. Повышении - увеличение содержания углерода, фосфора, марганца, увеличение скорости нагружения.

Долговечность - это способность материала в течение заданного времени сохранять работоспособность. Критерии работоспособности зависят от условий эксплуатации.

Долговечность материала в условиях трения определяется износостойкостью - сопротивлением изнашиванию. Износ результат работы сил трения. Его величина определяется величиной коэффициента трения f.

Для его уменьшения необходимо свести к минимуму пластическую деформацию и обеспечить совместимость трущихся пар, то есть исключить схватывание и образование задира.

Для повышения усталостной выносливости, износостойкости следует повышать твердость поверхности, что достигается поверхностной закалкой, химико-термической обработкой, пластической деформацией для создания на поверхности деталей остаточных напряжений сжатия.

Толщина диффузионного слоя оказывает весьма существенное влияние на прочность (прежде всего на сопротивление усталости при изгибе и на контактную выносливость).

Весьма существенное влияние на прочность стали с поверхностным упрочнением оказывает твердость сердцевины, которая зависит главным образом от концентрации углерода в стали. Хотя показатели прочности стали с поверхностным упрочнением повышаются с ростом содержания углерода и твердости сердцевины, однако это увеличение не может быть беспредельным, ибо при чрезмерно высоком содержании углерода в сердцевине нарушается желательная последовательность мартенситного превращения в сердцевине и слое. При высокой концентрации углерода (>0,35%) в сердцевине мартенситная точка снижается, вследствие чего при закалке возможно вначале мартенситное превращение в слое, а затем в сердцевине, что приводит к уменьшению остаточных напряжений сжатия на поверхности, а следовательно, и к снижению усталостной прочности.

Кроме того, с повышением концентрации углерода в сердцевине снижается вязкость стали. В связи с этим на основе результатов экспериментальных исследований в сталях с поверхностным упрочнением рекомендуется содержание углерода не выше 0,30%, а оптимальные значения твердости сердцевины после химико-термической обработки должны находиться в пределах НRС 24-32.

На показатели прочности стали с поверхностным упрочнением оказывает большое (часто решающее) влияние концентрация углерода на поверхности. Оптимальное содержание углерода, при котором обеспечивается максимальное сопротивление хрупкому разрушению, составляет 0,6-0,8%, усталостная прочность при изгибе достигает максимальных значений при 0,8-1,05% на поверхности, а максимальные значения контактной выносливости получаются при содержании углерода в пределах 1,0-1,25%.

Надежность и долговечность при эксплуатации изделий, изготовленных из таких сталей, зависят также от структуры слоя и сердцевины, образующейся в результате полного цикла химико-термической обработки. В связи с необходимостью обеспечения поверхностной твердости НRС 59-63 структура слоя должна состоять в основном из мелкоигольчатого мартенсита с небольшими изолированными участками остаточного аустенита. Абсолютно недопустимы выделения карбидов в форме сетки по границам зерен, ибо при этом резко возрастает хрупкость. Нежелательны также выделения в значительном количестве изолированных карбидов, различимых при увеличении XI00, так как и в такой форме они снижают вязкость цементованной стали, особенно в углах и на торцах деталей. Содержание остаточного аустенита в слое не должно превышать 5%.

Таким образом, для получения высоких показателей прочности изделий - валов-шестерней - необходимо обеспечить регулирование в узких пределах ряда параметров, характеризующих строение и свойства слоя и сердцевины.

Вместе с тем, при высоких значениях предела прочности, предела выносливости при изгибе, предела контактной выносливости в стали необходимо обеспечить и удовлетворительную вязкость. Поэтому стали должны быть наследственно мелкозернистыми (балл 6-8). Кроме того, применение мелкокозернистых сталей должен позволять использовать наиболее рациональный режим термической обработки.

Стали также должны обладать хорошей обрабатываемостью резанием, поэтому предварительная термическая обработка должна обеспечивать оптимальную микроструктуру. При неудовлетворительной микроструктуре заготовок ухудшается качество рабочей поверхности, а возникающие в процессе резания внутренние напряжения способствуют увеличению деформации изделий при последующей химико-термической обработке.

Таким образом, колесо зубчатое должно иметь высокую твердость и износостойкость поверхностного слоя, повышенную контактную выносливость, а также вязкую, мягкую сердцевину для того, чтобы воспринимать (гасить) знакопеременные напряжения, которые действуют на детали.

В процессе работы зубья испытывают ударные нагрузки, в результате чего в них возникают контактные напряжения. Поверхность зуба работает на износ, в процессе работы зубья нагреваются; для охлаждения на них непрерывно подаётся масло.

По конструкции данное зубчатое колесо представляет собой полый цилиндр. Снаружи расположены эвольвентные зубья, через которые передаётся вращательное движение от ведущего зубчатого колеса. По внутреннему диаметру данного зубчатого колеса выполнены шлицы для передачи крутящего момента на рессоры коробки агрегатов и далее ротору двигателя при его запуске, что обеспечивает подачу топлива в камеру сгорания.

В процессе работы зубчатое колесо испытывает статические, динамические, знакопеременные и вибрационные нагрузки величиной до 930 Н. Деталь работает в масляной среде с рабочей температурой до 80°С.

Учитывая сложный характер нагружения для обеспечения необходимой работоспособности, материал зубчатого шевронного колеса должен обладать следующими свойствами:

- предел прочности у_в не менее 1100МПа;

- предел текучести у_0,2 не менее 950 Мпа;

- ударная вязкость KCV не менее 0,8 МДж/м²;

- твердость упрочненной поверхности HRC не менее 58-61, глубина упрочненного слоя 1,5…2,0 мм.

- твердость сердцевины НВ не менее 3000 Мпа.

1.2 Маршрутная технология изготовление изделия

В начале процесса изготовления детали на установке непрерывного литья получаем блюм размером 100Х100. После этого на ковочном манипуляторе предаем цилиндрическую формы заготовки диаметром 50мм . Для предания нашей заготовки нужный диаметр проводим обжатие на прокатном стане. Потом нарезаем заготовку на мерные заготовки. С помощью паровоздушного молота надаем заготовке форму с различными диаметрами. Для улучшения механической обрабатываемости и снятия внутренних напряжений проводим предварительную термическую обработку-нормализацию в печи марки СШЗ 6.6/10.

После ОТК деталь подвергают механической обработкой с помощью которой заготовке надают нужной формы.

Механическая обработка имеет несколько стадий:

1. Подрезание торцов с помощью подрезных резцов на токарному станку

2. Обточка поверхности с помощью правого проходного резца на токарно-винторезном станку.

3. Нарезание зубьев с помощью фрезы на зуборезном станке.

4. Снятие фасок с помощью правого проходного резца на токарном станке.

5. Фрезеровка шпоночного паз с помощью сверл на вертикально-фрезерном станку.

Для получение нужной твердости материала окончательную термообработку (закалка и отпуск). Закалку проводим при температуре 840-860 ?С в печи марки СШЗ-6.6/10 структура при этой ТО будет мартенсит закалки, Для снижения хрупкости и увеличения пластичности и вязкости, после закалки применяю высокий отпуск при температуре 550-650?С в печи СШЗ-6.6/7 структура после данной ТО будет сорбит отпуска. Термоулучшение проводят также на образцах свидетелях из того же материала что и деталь. Для того чтобы узнать микроструктуру и возможные дефекты, образцы свидетели зачищают и определяют твердость а деталь подвергают испытанием на определения дефектов. После термоулучшения деталь подвергаем чистовой обработке на шлифовальных и полировочных станках.

Для увеличения износостойкости изделия ее подвергают ионному азотированию на установке НГВ 6.6-И1. Для определения твердости и выявления дефектов деталь зачищают для проверки ОТК. Окончательным процессом является определения микроструктуры и дефектов.

Размещено на http:\\www.allbest.ru\

Схема 1 Маршрутная технология получения заготовки

Размещено на http:\\www.allbest.ru\

Схема 2. Маршрутная технология термической обработки вала-шестерни

1.3Характеристика материалов и выбор детали

вал шестерня термический азотирование

В соответствии с заданием для изготовления вал-шестени применялась сталь 40Х.

Конструкционная легированная сталь марки 40Х трудносвариваемая. Сталь 40Х является флокеночувствительной и склонна к отпускной хрупкости. Долю различных химических элементов в составе конструкционной стали марки 40Х. Из ст 40х производят различные вал-шестерни и коленчатые валы, сталь марки 40Х идет на изготовление болтов и втулок.

При выборе материала для изготовления вал-шестерни необходимо учитывать механические характеристики после термической обработки, цену и дефицитность легирующих добавок стали и ее общую стоимость.

Исходя из этих требований для вал-шестенри выбираем сталь40Х, как заменитель,40ХН.

Таблица 1.2Характеристика материала 40Х

Марка:	40Х
Заменитель:	45Х, 38ХА, 40ХН, 40ХС, 40ХФ, 40ХР
Классификация:	Сталь конструкционная легированная
Применение:	оси, валы, вал-шестерни, плунжеры, штоки, коленчатые и кулачковые валы, кольца, шпиндели, оправки, рейки, губчатые венцы, болты, полуоси, втулки и другие улучшаемые детали повышенной прочности.

Таблица1.3.Химический состав в % материала 40Х.

C	Si	Mn	Ni	S	P	Cr	Cu
0.36-0.44	0.17-0.37	0.5-0.8	до 0.3	до 0.035	до 0.035	0.8-1.1	до 0.3

Таблица 1.4. Температура критических точек материала 40Х.

Ac1=743, Ac3(Acm)=782, Ar3(Arcm)=730, Ar1=693

Таблица 1.5.Механические свойства при Т=20^oС материала 40Х.

Сортамент	Размер	Напр.	Sв	sT	d5	y	KCU	Термообр.
-	мм	-	Мпа	Мпа	%	%	кДж / м2	-
Диск		Танг.	570	320	17	35	400
Пруток	Ж 28-55	Прод.	940	800	13	55	850

По стоимости выбранные экономно - легированные стали 40Х и 45ХН значительно дешевле, а также для них более простой и менее энергоемкий процесс химико - термической обработки.

Стали 40Х и 40ХН легированные стали применяют после ХТЦО, обеспечивающей увеличение допускаемых контактных напряжений до двух раз, а нагрузочная способность передачи - до четырех раз по сравнению с нормализованными или улучшенными сталями. Возрастает также износостойкость и стойкость против заедания.

Влияние элементов на свойства стали

Хром -- является элементом, влияющим эффективно на изменение механических и физических свойств стали. Растворяясь в феррите и образуя прочные карбиды, а также оказывая заметное влияние на дисперсность получаемой структуры и коагуляцию структурных составляющих, он повышает твердость и прочность стали, пределы упругости и текучести, не снижая пластических свойств.

Влияние хрома различно для разных структурных составляющих стали. Влияние, оказываемое хромом на твердость феррита невелики. Наиболее резко хром повышает твердость и прочность мартенсита.

Вследствие увеличения дисперсности структуры легирование хромом стали способствует некоторому повышению классических свойств (поперечною сужения, удлинения и ударной вязкости). Однако увеличение содержания хрома свыше 1,0-1,5% снижает ударную вязкость.

Хром оказывает значительное влияние на физические свойства стали: уменьшает удельный вес и значительно понижает теплопроводность. Хром повышает устойчивость стали против коррозионного действия биосферы и некоторых кислот при комнатной, а также при повышенных температурах. Хром повышает температуры нагрева стали под отжиг, закалку и уменьшает требуемую критическую скорость охлаждения при закалке вследствие увеличения способности аустенита к переохлаждению. Чем выше температура закалки, тем ниже твердость непосредственно после закалки вследствие увеличивающихся количеств остаточного аустенита, но тем выше может быть твердость, получаемая после отпуска.

Хром повышает прокаливаемость стали тем в большей степени, чем выше его содержание в стали. Хром повышает точки А₃ и А₁). По мере увеличения его содержания сдвигает кривую изотермического распада вправо, т. е. увеличивает устойчивость аустенита. При этом легирование стали карбидообразующими элементами (Сr, Мn) меняет характер изотермической кривой. В сталях, легированных этими элементами, устойчивость аустенита с увеличением степени переохлаждения ниже A₁ уменьшается, достигает минимума около 600-650°С, а затем вновь возрастает.

Важное значение имеет влияние элементов на порог хладноломкости, что характеризует склонность стали к хрупкому разрушению. Наличие хрома в железе способствует некоторому повышению порога хладноломкости. Увеличение содержания в стали хрома или марганца до 1% практически не влияет на порог хладноломкости. Однако при больших концентрациях порог хладноломкости повышается.

Марганец - совместно с хромом повышает прокаливаемость. Однако марганец содействует росту зерна, повышает хладноломкость до +40…60єС.

Анализ диаграммы Fe - Cr (Рисунок 1.11) показывает, что хром имеет одну модификацию, которая кристаллизуется в объемоцентрированной решетке, изоморфной Feб.

Хром растворяется в б-Fe от 1% до 100%, понижает обе точки полиморфного превращения железа, но так как точка А₄ снижается быстрее, чем А₃, то в конце концов обе точки сливаются и область замыкается при 13%Cr.

Вблизи соотношения Cr: Fe = 1: 1 образуется неустойчивое химическое соединение FeCr, называемой обычно как у-фаза, верхняя температура существования этого соединения 815єС.



Рисунок 1.11 - Диаграмма системы Fe-Cr

В стали 40Х хром присутствует в количестве 0,9ч1,2%. Как сильно карбидообразующий элемент, в таких количествах он не образует самостоятельных карбидов хрома, а только легирует цементит, образуя (Fe, Cr)₃C (легированный хромом цементит) и также легирует феррит.

Перитектическое, эвтектическое и эвтектоидное превращение протекают не при постоянной температуре, как в двойных системах, а в некотором интервале температур.

В системе Fe-Mn-C г-фаза с увеличением содержания марганца существует и в области низких температур.

В системе Fe-Cr-C с возрастанием концентрации хрома область существования г-фазы сужается. Состав карбидной фазы (К) в марганцовистых сталях соответствует соединению (Fe, Мn)₃С, в котором часть атома железа замещена атомами марганца.



Рисунок 1.12- Вертикальные разрезы тройной диаграммы состояния: a - Fe-Mn-C; б - Fe-Cr-C

В хромистых сталях образуются специальные хромистые карбиды, состав и структура которых зависят от содержания углерода и хрома (рис. 1.12).

При малом содержании в стали таких карбидообразующих элементов, как Мn и Сr, последние растворяются в цементите, замещая в нем атомы железа. Так, при растворении марганца в цементите образуются карбид (Fe, Мn)₃С, при растворении хрома - карбид (Fe, Сr)₃ С. Марганец может заместить в решетке цементита все атомы железа, а хром - до 25 ат. %. Сера является вредной примесью в стали. С железом она образует химическое соединение FeS, которое практически нерастворимо в нем в твердом состоянии, но растворимо в жидком металле. Соединение FeS образует с железом легкоплавкую эвтектику с температурой плавления 988°С. Эта эвтектика образуется даже при очень малом содержании серы. Кристаллизуясь из жидкости по окончании затвердевания, эвтектика преимущественно располагается по границам зерна. При нагреве стали до температуры прокатки или ковки (1000-1200°С) эвтектика расплавляется, нарушается связь между зернами металла, вследствие чего при деформации стали в местах расположения эвтектики возникают надрывы и трещины. Это явление носит название, красноломкости (горячеломкость).

Присутствие в стали марганца, обладающего большим сродством к сере, чем железо, и образующего с серой тугоплавкое соединение MnS, практически исключает явление красноломкости. В затвердевшей стали частицы MnS располагаются в виде отдельных включений. В деформированной стали эти включения деформируются и оказываются вытянутыми в направлении прокатки.

Сернистые включения снижают ударную вязкость (KCU) и пластичность (д, ш) в поперечном направлении вытяжки при прокатке и ковке, а также предел выносливости.

Работа зарождения трещины не зависит от содержания серы, а работа развития вязкой трещины КСТ и вязкость разрушения К_С с увеличением содержания серы снижаются. Сера ухудшает свариваемость и коррозионную стойкость. Содержание серы в стали строго ограничивается; оно не должно превышать 0,035-0,06 %.

Фосфор является вредной примесью, и содержание его в зависимости от качества стали допускается не более 0,025-0,045%. Растворяясь в феррите, фосфор сильно искажает кристаллическую решетку и увеличивает пределы прочности и текучести, но уменьшает пластичность и вязкость. Снижение вязкости тем значительнее, чем больше в стали углерода. Фосфор повышает порог хладноломкости стали и уменьшает работу развития трещины. Способность фосфора к сегрегации по границам зерен также способствует охрупчиванию стали.

Теперь рассмотрим влияние легирующих элементов на механические свойства стали (рисунок. 1.13, 1.14).



Рисунок 1.13- Влияние легирующих элементов на свойства: а - твердость; б - ударная вязкость

Рисунок 1.14 - Влияние легирующих элементов на порог хладноломкости

1.4Обзор литературы и патентов

Для выбора нужного вида ХТЦО мы провели обзор патентов и остановились на некоторых из них:

1. Способ формирования многослойного износостойкого покрытия на поверхности изделия из конструкционной стали/Золотухин А.В., Ломакин Т.В./UA 85341 C2, кл. С23 С14/06, 14/16, 14/48.

Изобретение относится к металлургии, в частности к химико-термической обработке стальных изделий, работающих в условиях абразивного износа при трении-скольжении или трении-качении, и может быть использовано в машиностроении для упрочнения различного вида зубчатых зацеплений и т. п.

Цель изобретения - повышение поверхностной твердости изделий.

Процесс ионного азотирования ведут при температуре 550(С) и давлению реакционного газа азота 0.5 Па. Через 60 хв. прекращают подачу реакционного газа, снимают переменное напряжение и оставляют в работе плазменный генератор с медным катодом на время 10 хв., за этим проводят нанесение защитного покрытия нитрида титана методом ПВД со скоростью 3мкм/год., на протяжении 60мин. при негативном напряжении постоянного тока - 150В на изделии, токе електродугового испарителя с титановым катодом 180А, давлению реативного газа азота 2*10(-1)Па.

Патент на новое изобретение находится в приложении.

2. Способ формирования износостойкого покрытия/ Золотухин А.В., Мустяца О.Н., Посвятенко Э.К., Дмытриев Н.Н., Золотухин А.А., Национальный транспортный университет/UA 77613 C2, кл. С23 С 14/06, 14/48. Изобретение относится к металлургии, в частности к химико-термической обработке стальных изделий, работающих в условиях абразивного износа при трении-скольжении или трении-качении, и может быть использовано в машиностроении для упрочнения различного вида зубчатых зацеплений и т. п.

Цель изобретения - повышение поверхностной твердости изделий.

Способ формирования износостойкого покрытия на поверхности изделий из конструкционной стали, который включает их загрузку в вакуумную камеру, ее вакуумирование к давлению 2*10-2 Па, нагрев изделий в вакууме до температуры 200-250 С течении 10-15 мин., потом проводят плазменную очистку и активацию поверхности изделий в смеси газов: водороду, аргону, азоту, при одновременном наложение на изделия напряжения переменного тока 500-1500 В, потом ведут ионно-плазменное азотирование изделий.

3. Способ ионо- плазменного напыления електропродных покрытий/ Золотухин А.В., Мустяца О.Н., Посвятенко Э.К., Дмытриев Н.Н., Золотухин А.А., Национальный транспортный университет. Изобретение относится к металлургии, в частности к химико-термической обработке стальных изделий, работающих в условиях абразивного износа при трении-скольжении или трении-качении, и может быть использовано в машиностроении для упрочнения различного вида зубчатых зацеплений и т. п.

Цель изобретения - повышение поверхностной твердости изделий

Способ ионно-плазменного напыления электропроводных покрытий программированной эластичности, который отличается тем, что на изделия подают электронную и ионную частицы газовой плазмы разнесенными во времени из сталью частотою, подавая и изменяя потенциал опорной напряжения на изделия из положительно на отрицательный, при этом за время действия негативного потенциалу на изделия направляют ионную часть плазмы, а за время действия- электронную часть, время действия положительного потенциалу до время действия отрицательного потенциалу устанавливают в зависимости от покрытия.

4. Способ нанесения защитных покрытий/ Золотухин А.В., Мустяца О.Н., Посвятенко Э.К., Дмытриев Н.Н., Золотухин А.А., Национальный транспортный университет. Изобретение относится к металлургии, в частности к химико-термической обработке стальных изделий, работающих в условиях абразивного износа при трении-скольжении или трении-качении, и может быть использовано в машиностроении для упрочнения различного вида зубчатых зацеплений и т. п.

Цель изобретения - повышение поверхностной твердости изделий

Способ получения защитных и декоративных покрытий, какой включае предыдущую обработку изделий, какие покриваются, со следующим размещением их в реакционной камере.

Что касается места упрочняющей обработки в технологическом процессе, то она должна проводить перед финишной обработкой заготовки, т.к. проведение термической обработки раньше усложнит механическую обработку (приведет к быстрому износу инструмента). Проводить же термическую обработку после финишной обработки нецелесообразно, т.к. термическая обработка может привести к короблению детали. Следовательно, наиболее целесообразным является проведение термической обработки между чистовой и финишной обработкой. [ 1 ]

Существует два вида показателей технологичности: качественные и количественные. Качественная оценка при сравнении вариантов конструкций в процессе изделия предшествует количественной и определяет целесообразность затрат на определение численных показателей технологичности вариантов. Количественная оценка технологичности конструкции изделия выражается показателем, численное значение которого характеризует степень удовлетворения требований к технологичности конструкции. [1]

Заготовку обычно получают с помощью ковки . Допускаемые отклонения от номинальных размеров поковки соответствуют припускам, поэтому также являются увеличенными. Кузнечные напуски имеют максимальные значения. Ввиду ударного характера работы молота в конструкции штампа нельзя использовать выталкиватели, поэтому для извлечения поковки из ручья штампа на вертикальных поверхностях поковок оформляются значительные штамповочные уклоны. Радиусы закругления назначаются для облегчения течения металла, повышения стойкости штампа, обеспечения расположения волокон.[2]

Надежность и долговечность при эксплуатации изделий, изготовленных из таких сталей, зависят также от структуры слоя и сердцевины, образующейся в результате полного цикла химико-термической обработки. В связи с необходимостью обеспечения поверхностной твердости НRС 59-63 структура слоя должна состоять в основном из мелкоигольчатого мартенсита с небольшими изолированными участками остаточного аустенита. Абсолютно недопустимы выделения карбидов в форме сетки по границам зерен, ибо при этом резко возрастает хрупкость. Нежелательны также выделения в значительном количестве изолированных карбидов, различимых при увеличении XI00, так как и в такой форме они снижают вязкость цементованной стали, особенно в углах и на торцах деталей.

Содержание остаточного аустенита в слое не должно превышать 5%.[3]

В процессе эксплуатации изнашиваются контактные площадки на передней поверхности и задней поверхностях изделия . В зависимости от условий эксплуатации и свойств материалов наиболее интенсивно изнашивается поверхность изделия . Иногда величина износа передней и задней поверхностей одновременно достигают предельных значений.

Превалирующий износ поверхности имеет место в том случае, когда поверхность предохраняется от износа застойной зоной (наростом), или когда температура поверхности значительно превышает температуру поверхности.

Под адгезионным износом инструмента понимают отрыв силами адгезии мельчайших частиц инструментального материала в процессе трения инструмента с обрабатываемым материалом.[2]

Качественное влияние адгезии как активного фактора в механизме износа режущего инструмента может быть оценено общими закономерностями усталостного износа (при малоциклической усталости).[4]

В частности, это проявляется в том, что при заданном инструментальном материале, когда отсутствует влияние обрабатываемого материала и среды на микропрочность при контактной зоны инструмента, интенсивность изнашивания инструмента однозначно определяется прочностью [4]

Ионно-плазменное азотирование в отлаженном техпроцессе дает минимальный разброс поверхностных свойств от детали к детали при относительно низкой энергоемкости, что делает ИПА более привлекательным, нежели традиционное печное газовое азотирование, нитроцементацию и цианирование.[5]

Ионно-плазменное азотирование исключает деформацию заготовки, а структура азотированного слоя остается неизменной даже при нагреве детали до 650 градусов, что вкупе с возможностью тонкой корректировки физико-механических свойств позволяет использовать ИПА для решения самых разнообразных задач.[5]

Кроме того, азотирование ионно-плазменным методом отлично подходит для обработки сталей разных марок, поскольку рабочая температура процесса в азотно-углеродной смеси не превышает 600 градусов, что исключает нарушения внутренней структуры и даже наоборот - способствует снижение вероятности усталостных разрушений и повреждений из-за высокой хрупкости нитридной фазы.[5]

Для повышения антикоррозионных показателей и поверхностной твердости методом ионно-плазменного азотирования подходят заготовки любой формы и размеров со сквозными и глухими отверстиями. Экранная защита от азотирования не представляет собой сложное инженерное решение, поэтому обработка отдельных участков любой формы производится легко и просто.[5]

Относительно других методов упрочнения и повышения межкристаллитной стойкости ИПА отличается сокращенной в несколько раз длительностью техпроцесса и уменьшенным на два порядка расходом рабочего газа. Т.о. для ионно-плазменного азотирования требуется в 2-3 раза меньше электроэнергии, а качество поверхности обработанного изделия позволяет вовсе исключить стадию финишной шлифовки. Кроме того, существует возможность провести обратный азотированию процесс, например перед шлифовкой.[5]

1.5 Выбор и технико-экономическое обоснование технологического процесса термической обработки

Анализ базовой технологии термической обработки

Вал - шестерня по заводской технологии (из стали 40Х) подвергается следующей термической обработке:

1) Предварительная термообработка

- Нормализация - 100 мин

2) Окончательная термообработка

- Закалка- 100мин

- Высокий отпуск- 100 мин

Для получение нужной твердости материала окончательную термообработку (закалка и отпуск). Закалку проводим при температуре 840-860 ?С в печи марки СШЗ-6.6/10 структура при этой ТО будет мартенсит закалки, Для снижения хрупкости и увеличения пластичности и вязкости,

после закалки применяю высокий отпуск при температуре 550-650?С в печи СШЗ-6.6/7 структура после данной ТО будет сорбит отпуска. Термоулучшение проводят также на образцах свидетелях из того же материала что и деталь. Для того чтобы узнать микроструктуру и возможные дефекты, образцы свидетели зачищают и определяют твердость а деталь подвергают испытанием на определения дефектов

Рисунок1.15- Структура стали 40Х после закалки и отпуска

Анализ термообработки детали по проекту

...