Деталь: шестерня

Задание

Деталь: шестерня

Марка стали: 45Х ГОСТ 8479-70

Твердость на поверхности: 58… 62НRC

Твердость в сердцевине: 30…35HRC

Описание стали в состоянии поставки

Химический состав стали 45Х C Si Mn Ni S P Cr Cu 0.41 - 0.49 0.17 -… Механические свойства термически обработанной стали:

Эскиз детали

3. Технические условия на готовую деталь: Волокна следуют контуру детали. Твердость на поверхности: 58… 62НRC

Отрезка заготовок

Штамповка

Механическая обработка

Отжиг (полный)

5. Закалка неполная (контроль твёрдости)

Отпуск (средний)

Закалка ТВЧ

8. Отпуск низкий (контроль твёрдости)

Окончательная механическая обработка.

Описание каждой операции термообработки (технологической последовательности)

ОТЖИГ – его целью является устранение перегрева, полученного после горячей объемной штамповки, измельчение зерна, снижение твердости для улучшения обрабатываемости резанием, подготовка структуры стали к окончательной термообработке, повышение пластических свойств металла. Для данной детали необходим полный отжиг, т.к. содержание углерода в стали менее 0,8% и сталь доэвтектоидная T_отжига=А_С3+(30…50ºС)= 770+(30…50º)=800…820 ºС.

Общее время при любой термообработке складывается из времени нагрева (τ_н) и времени выдержки (τ_в): τ_общ = τ_н + τ_в. Оно зависит от температуры нагрева, химического состава стали, конфигурации деталей, типа оборудования, величины садки, способа укладки деталей и других факторов.

При выполнении настоящего задания (расчет режима на одну деталь) для отжига можно принять:

- время нагрева - τ_н из расчета 1 мин на 1 мм максимального сечения для углеродистых и 1,5…2 мин – для легированных сталей;

- время выдержки - τ_в = τ_н (но не менее 1 ч для деталей небольших размеров).

τ_н = 2 мин/мм × 20 мм = 40 мин

τ_в = 40 мин

τ_общ = τ_н + τ_в = 80 мин

Охлаждение вместе с печью. Твёрдость после отжига HB = 229-302 МПа.

В результате отжига при нагреве образуется аустенит, а после последующего охлаждения аустенит распадается на феррит и перлит.

перлит легированный мелкозернистый

феррит легированный мелкозернистый

Рисунок 5.1– Микроструктура после отжига.

Рисунок 5.2 – Превращения, происходящие в стали при полном отжиге.

ЗАКАЛКА. Сущность закалки заключается в нагреве стали до определенной температуры, выдержка в течение определенного времени, быстрое охлаждение со скоростью больше критической (это условие соблюдается, если углеродистые стали охлаждать в воде, а легированные в масле).

По температуре нагрева различают полную (t_зак. = А_С3 + 30…50ºС) и неполную (t_зак. = А_С1 + + 30…50ºС) закалки.

Время нагрева определяется из расчета 1 мин/1 мм самого большого сечения для углеродистых и 2 мин для легированных сталей.

Время выдержки в печи определяется как 1/4 времени нагрева для углеродистых и 1/3 для легированных сталей.

Цель закалки - увеличение твёрдости и износостойкости детали.

Твёрдость после закалки: на поверхности – 55 - 60 HRC

t_зак. = 770 + (30…50)ºС = 800…850 ºС

Время нагрева в печи – 20 х 2 = 40 мин., т.к. максимальное сечение детали равно 20 мм.

Время выдержки в печи – 40х 1/3 = 13мин.

Общее время в печи – 40+ 13 = 53мин.

Средний отпуск (350…500ºС) обеспечивает высокую твёрдость 40…50HRC и максимальный предел упругости. Применятся для пружин, рессор, а также штампов. Охлаждение после отпуска при 400…500ºС следует проводить в воде, что способствует образованию на поверхности сжимающих остаточных напряжений, которые увеличивают предел выносливости пружин. Структура стали после отпуска состоит в основном из троостита отпуска, то есть представляет собой мелкодисперсную смесь феррита и цементита (рисунок 6)

. Время выдержки в печи можно принять из расчета 2 мин. на 1 мм максимального сечения для углеродистой стали и 3 мин. – для легированной, но не менее 0,5 часа. Для нашей детали продолжительность отпуска составит 3 мин. х 20 = 60 мин.

Рисунок 6- Троостит отпуска

Твёрдость на поверхности после низкого отпуска 40-50 HRC

Температура низкого отпуска 350-500ºС

Время выдержки в печи 60мин

Охлаждающая среда

Закалка ТВЧ. Детали, требующие местного упрочнения части поверхности, изготавливают из среднеуглеродистых сталей с 0,4…0,6%С (40, 45, 40Х, 40ХНМ и др.). Как правило, для таких сталей вначале делается нормализация или улучшение, а затем закалка поверхностного слоя токами высокой частоты (ТВЧ) на глубину 3…5 мм (шейки коленчатого вала, кулачки распредвалов и др.) рабочей части детали (лапа культиватора, нож сенокосилки) с последующим охлаждением в закалочной среде. Затем делается низкий отпуск. Твёрдость поверхности – 58…65 НRC.

Режим высокочастотного нагрева определяется частотой тока, удельной мощностью, сообщаемой изделию, и временем нагрева. От правильного выбора частоты тока зависит эффективность применения высокочастотного нагрева.

Необходимую частоту тока f в зависимости от глубины закаленногослоя b в мм определяют по следующим формулам:

для деталей простой конфигурации	f=(5·104)/b2, Гц
для деталей сложной конфигурации	f=(5·105)/b2, Гц
для зубчатых колес с модулем т	f=(2·106)/m2, Гц

Выбираем для зубчатых колес f=(2×10⁶)/20²=500, Гц

Рисунок 7.3- Микроструктура после закалки.

ОТПУСК закаленной стальной детали является заключительной операцией термообработки, он обязателен. Желательно производить его сразу после закалки. По температуре нагрева (в зависимости от назначения) различают низкий, средний и высокий отпуск. Для данной детали проведем низкий отпуск. Такой отпуск проводится с целью частичного снятия внутренних напряжений и без заметного снижения твёрдости стали, (твёрдость снижается на 1 - 5 HRC). Время выдержки в печи можно принять из расчета 2 мин. на 1 мм максимального сечения для углеродистой стали и 3 мин. – для легированной, но не менее 0,5 часа. Для нашей детали продолжительность отпуска составит 3 мин. х 20 = 60 мин. Структура после низкого отпуска на поверхности детали – мартенсит. Скорость охлаждения практически не влияет на свойства металла.

Твёрдость на поверхности после низкого отпуска 56 HRC

Температура низкого отпуска 250ºС

Время выдержки в печи 60мин

Охлаждающая среда воздух

 

Рисунок 6.4 – Микроструктура после отпуска.