Формирование и обоснование процесса термической обработки втулки шлицевой карданного вала. Характеристика материала и описание технологических операций. Возможные дефекты закалки и принципы их устранения, используемые методы и приемы, оборудование.
Аннотация к работе
Наряду с выводом в эксплуатацию нового передового оборудования и модернизации существующих агрегатов термических цехов на многих заводах проводится механизация и автоматизация процессов термообработки, что, несомненно, облегчает труд термистов и повышает производительность труда. В данной работе требуется разработать технологический процесс термической обработки стальной детали: втулки шлицевой карданного вала автомобиля ЗИЛ-130 изготовленной из стали 40Х. Выбрать и обосновать последовательность операции предварительной и окончательной термообработки деталей, увязав с методами получения и обработки заготовки (литье, ковка или штамповка, прокат, механическая обработка). Температура эвтектоидного превращения стали (точку А1) в присутствии хрома повышается, а содержание углерода в эвтектоиде (перлите) понижается. При содержании хрома 3 - 5% в стали одновременно присутствуют легированный цементит и карбид хрома Cr7 C3, а если более 5% хрома, то в стали находится только карбид хрома.К наиболее популярным методам термической обработки относятся отжиг сталей, нормализация, закалка металлов, отпуск и обработка холодом. В процессе термической обработки стальных деталей в структуре материала происходят изменения согласно диаграмме железо-цементит. В соответствии с требованиями, которые предъявляется к стали, необходимо выбрать наиболее оптимальный вид термической обработки.
Введение
термический шлицевый карданный вал
Научно-технический прогресс не стоит на месте, все области народного хозяйства вокруг совершенствуются и развиваются. То же самое происходят и в области машиностроения. Основным направлением в развитии машиностроения является улучшение качества металлопродукции путем внедрения прогрессивных способов обработки металла.
Значительным резервом улучшения качества и повышения механических характеристик металла является применение высокоэффективной термообработки. Наряду с выводом в эксплуатацию нового передового оборудования и модернизации существующих агрегатов термических цехов на многих заводах проводится механизация и автоматизация процессов термообработки, что, несомненно, облегчает труд термистов и повышает производительность труда. Термообработка обладает широкими возможностями для придания материалам заданного количества свойств с ее помощью можно достичь уникальных свойств изделий.
В данной работе требуется разработать технологический процесс термической обработки стальной детали: втулки шлицевой карданного вала автомобиля ЗИЛ-130 изготовленной из стали 40Х.
Цель работы: практическое ознакомление с методикой разработки технологических процессов термической обработки деталей, приобретение навыков самостоятельной работы со справочной литературой.
Порядок выполнения задания: Расшифровать марку заданной стали, описать ее микроструктуру, механические свойства до окончательной термообработки и указать, к какой группе по назначению она относится.
Описать характер влияния углерода и легирующих элементов заданной стали на положение критических точек Ас1 и Ас3, Асм. При отсутствии легирующих элементов в заданной марке стали описать влияние постоянных примесей (марганца, кремния, серы, фосфора, кислорода, азота и водорода) на ее свойства.
Выбрать и обосновать последовательность операции предварительной и окончательной термообработки деталей, увязав с методами получения и обработки заготовки (литье, ковка или штамповка, прокат, механическая обработка).
Назначить и обосновать режим операций предварительной и окончательной термообработки деталей (температура нагрева и микроструктура в нагретом состоянии, охлаждающая среда).
Описать микроструктуру и механические свойства материала детали после окончательной термообработки.
1. Разработка технологического процесса термической обработки втулки шлицевой карданного вала автомобиля ЗИЛ-130
Таблица 1.1. Технические требования к детали
Наименование детали Марка стали Твердость поверхности Твердость сердцевины Глубина упрочненного слоя, мм
Втулка шлицевая карданного вала автомобиля ЗИЛ-130 40Х HB255-302
1.1 Описание детали
Кардан, как известно, используется для передачи крутящего момента от КПП к раздаточной коробке или на редуктор. В процессе передвижения, вследствие неровностей дороги расстояние между фланцем одного узла и фланцем другого может меняться. И если длина «связующего звена» будет неизменной, то начнутся проблемы с проворачиванием и непомерно возрастет воздействие на резьбовые крепежи. Поэтому в стандартно-привычную, но подходящую лишь для стационарных объектов, систему «фланец-вилка, шарнир, труба» был добавлен дополнительный «член команды» - втулка шлицевая карданного вала. Втулка представляет собой деталь, изготовленную из высокопрочной легированной стали, посредством которой осуществляется соединение двух частей карданного вала автомобиля. Сама втулка - это часть трубы с нарезанными внутри шлицами и служит для передачи крутящего момента.
Исходя из условий работы к материалу для изготовления шлицевой втулки предъявляются следующие требования: - достаточная прочность и жесткость;
- достаточная прочность шлицов на кручение;
- минимальная склонность к искажению формы и изменению размеров деталей при термообработке;
- износостойкость рабочей поверхность;
- высокая сопротивляемость циклическим ударным нагрузкам;
Сталь 40Х конструкционная легированная поставляется в виде сортового проката прутков, труб и т.д.
Таблица 1.2. Химический состав, % (ГОСТ 1080-88)
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
Сталь 40Х, согласно ГОСТ, в горячекатаном состоянии имеет твердость не более HB 163-168, предел текучести s0,2 = 610 МПА, K? тв.спл. = 1.2, K? б.ст. = 0,95.
Таблица 1.3. Температура критических точек, 0С
АС1 АС3 Ar3 Ar1 Mn
743 815 730 693 325
Сталь 40Х - углеродистая, конструкционная, качественная, хромистая сталь. По структуре эта сталь - доэвтектоидная, по способу раскисления - спокойная, по качеству - качественная, по назначению - конструкционная, по содержанию углерода - среднеуглеродистая.
Содержание углерода в стали оказывает заметное влияние на структуру и свойства стали. Увеличение содержания углерода приводит к повышению прочности и понижению пластичности, повышает порог хладноломкости и уменьшает ударную вязкость.
Углерод также оказывает влияние на технологические свойства: с повышением содержания углерода ухудшаются свариваемость и способность к деформации в горячем и холодном состояниях.
Хром - очень распространенный легирующий элемент. Он повышает точку А3 и понижают точку А4 (замыкает область ?-железа). Температура эвтектоидного превращения стали (точку А1) в присутствии хрома повышается, а содержание углерода в эвтектоиде (перлите) понижается. С углеродом хром образует карбиды (Cr7 C3, Cr4 C) более прочные и устойчивые, чем цементит. При содержании хрома 3 - 5% в стали одновременно присутствуют легированный цементит и карбид хрома Cr7 C3, а если более 5% хрома, то в стали находится только карбид хрома. Растворяясь в феррите, хром повышает его твердость и прочность и прочность, незначительно снижая вязкость. Хром значительно увеличивает устойчивость переохлажденного аустенита.
В связи с большой устойчивостью переохлажденного аустенита и длительностью его распада, изотермический отжиг и изотермическую закалку хромистой стали проводить нецелесообразно.
Хром значительно уменьшает критическую скорость закалки, поэтому хромистая сталь обладает глубокой прокаливаемостью. Температура мартенситного превращения при наличии хрома снижается. Хром препятствует росту зерна и повышает устойчивость против отпуска. Поэтому отпуск хромистых сталей проводится при более высоких температурах по сравнению с отпуском углеродистых сталей. Хромистые стали подвержены отпускной хрупкости и поэтому после отпуска детали следует охлаждать быстро (в масле).
Карбидообразующими элементами являются хром и марганец. При растворении карбидообразующих элементов в цементите образующиеся карбиды называются легированным цементитом. При повышении содержания карбидообразующего элемента образуются самостоятельные карбиды данного элемента с углеродом, так называемые простые карбиды, например, Cr7 C3, Cr4 C, Mo2 C. Все карбиды очень тверды (HRC 70 - 75) и плавятся при высокой температуре (Cr7 C3 примерно при 1700°С).
Введение легирующих элементов оказывает влияние на перлитное превращение. Температура перлитного превращения под влиянием различных легирующих элементов может понижаться или повышаться, а концентрация углерода в перлите уменьшается- В связи с этим точка S на диаграмме Fe-Fe3 C понижается или повышается и одновременно сдвигается влево. Следовательно, при введении легирующих элементов происходит смещение равновесных точек на диаграмме Fe-Fe3 C.
При наличии карбидообразующих элементов кривая изотермического распада не сохраняет свой обычный С-образный вид, а становится как бы двойной С-образной кривой. На такой кривой наблюдаются две зоны минимальной устойчивости аустенита и между ними - зона максимальной устойчивости аустенита. Верхняя зона минимальной устойчивости аустенита расположена в интервале температур 600 - 650°С. В этой зоне происходит распад переохлажденного аустенита с образованием феррито-цементитной смеси.
Нижняя зона минимальной устойчивости аустенита расположена в интервале температур 300 - 400°С. В этой зоне происходит распад переохлажденного аустенита с образованием игольчатого троостита.
Рис. 1 Микроструктура игольчатого троостита
Необходимо иметь в виду, что карбидообразующие элементы только в том случае повышают устойчивость аустенита, если они растворены в аустените. Если же карбиды находятся вне раствора в виде обособленных карбидов, то аустенит, наоборот, становится менее устойчивым. Это объясняется тем, что карбиды являются центрами кристаллизации, а также тем, что наличии нерастворенных карбидов приводит к обеднению аустенита легирующим элементом и углеродом.
При большом содержании хрома в стали находятся специальные карбиды хрома. Твердость такой стали при нагревании до более высокой температуры 400 - 450°С почти не изменяется. При нагревании до более высокой температуры (450 - 500°С) происходит повышение твердости.
1.3 Операции термической обработки
Исходя из требований, предъявляемых к детали, считаем, что необходимо выполнить следующие операции термической обработки: - Закалка для повышения прочности и твердости втулки;
- Низкий отпуск снижения закалочных напряжений, некоторого повышения прочности и улучшения вязкости без заметного снижения твердости и износостойкости;
Можно было бы провести лишь одну операцию - нормализацию, но твердость стали 40Х после нормализации HB= 174-217 что не достаточно для тех условий, в которых работает деталь.
Выбираем следующую последовательность операций обработки втулки при ее изготовлении из поковки (маршрутный технологический процесс): механическая обработка - закалка низкий отпуск - окончательная механическая обработка.
Закалка
Закалка проводится при температуре 850°С т.е. на 35°С выше критической АС3, охлаждение в масло, что значительно уменьшает степень деформации.
Рис. 2. Интервал температур нагрева на диаграмме состояния железо - углерод при отжиге и закалке изделий из сталей
Появившийся в результате закалки тетрагональный мартенсит, имеющий искаженную решетку, неустойчив и стремится перейти в более устойчивую форму кубического мартенсита. Этот переход влечет за собой изменение объемов атомной решетки, а следовательно, и деформацию детали. При комнатной температуре этот переход происходит очень медленно, в течение нескольких месяцев и даже лет, а при повышенной температуре в течение нескольких часов или десятков минут.
Рис. 3. Схема микроструктуры доэвтектоидной стали 40 после закалки в масле. Мартенсит и троостит
Низкий отпуск
Низкий отпуск проводим при температуре 150-200°С с последующим охлаждением на воздухе. Отпуск ослабляет остаточные напряжения и уменьшает хрупкость деталей.
Рис. 4 Микроструктура мартенсита
После такого режима термической обработки структура поверхностного слоя - мелкоигольчатый мартенсит с вкраплениями избыточного цементита, а сердцевины - мелкозернистый феррит перлит.
2. Дефекты закалки
Недостаточная твердость закаленной детали - следствие низкой температуры нагрева, малой выдержки при рабочей температуре или недостаточной скорости охлаждения.
Исправление дефекта: нормализация или отжиг с последующей закалкой; применение более энергичной закалочной среды.
Перегрев связан с нагревом изделия до температуры, значительно превышающей необходимую температуру нагрева под закалку. Перегрев сопровождается образованием крупнозернистой структуры, в результате чего повышается хрупкость стали.
Исправление дефекта: отжиг (нормализация) и последущая закалка с необходимой температуры.
Пережог возникает при нагреве стали до весьма высоких температур, близких к температуре плавления (1200-1300° С) в окислительной атмосфере. Кислород проникает внутрь стали, и по границам зерен образуются окислы. Такая сталь хрупка и исправить ее невозможно.
Окисление и обезуглероживание стали характеризуются образованием окалины (окислов) на поверхности деталей и выгоранием углерода в поверхностных слоях. Этот вид брака термической обработкой неисправим. Если позволяет припуск на механическую обработку, окисленный и обезуглероженный слой нужно удалить шлифованием. Чтобы предупредить этот вид брака, детали рекомендуется нагревать в печах с защитной атмосферой.
Коробление и трещины - следствия внутренних напряжений. Во время нагрева и охлаждения стали наблюдаются объемные изменения, зависящие от температуры и структурных превращений (переход аустенита в мартенсит сопровождается увеличением объема до 3%). Разновременность превращения по объему закаливаемой детали вследствие различных ее размеров и скоростей охлаждения по сечению ведет к развитию сильных внутренних напряжений, которые служат причиной трещин и коробления деталей в процессе закалки.
Образование трещин обычно наблюдается при температурах ниже 75-100°С, когда мартенситное превращение охватывает значительную часть объема стали. Чтобы предупредить образование трещин, при конструировании деталей необходимо избегать резких выступов, заостренных углов, резких переходов от тонких сечений к толстым; следует также медленно охлаждать сталь в зоне образования мартенсита (закалка в масле, в двух средах, ступенчатая закалка). Трещины являются неисправимым браком, коробление же можно устранить последующей рихтовкой или правкой.
3. Карта технологического процесса термической обработки
Карта технологического процесса термической обработки Наименование детали Марка стали ГОСТ
ВТУЛКА ЩЛИЦЕВАЯ КАРДАННОГО ВАЛА АВТОМОБИЛЯ ЗИЛ-130. Технические требования к детали
Твердость Глубина слоя, мм Другие
Поверхность Сердцевина требования
- HB255-302 - -
Механические свойства, не менее: s0,2, МПА SB, МПА d, % y, % KCU, МДЖ/м2, при Т, 0С
20 - 40 - 60 после
780 980 10 45 59 34 - 118
Наименование и содержание операции Оборудование Среда обработки Режим процесса Примечание
Температура, 0С Продолжительность, ч нагрева выдержки общая
Обработка деталей может быть совершенно различной в зависимости от особенностей технологического процесса. К наиболее популярным методам термической обработки относятся отжиг сталей, нормализация, закалка металлов, отпуск и обработка холодом. В процессе термической обработки стальных деталей в структуре материала происходят изменения согласно диаграмме железо-цементит. В соответствии с требованиями, которые предъявляется к стали, необходимо выбрать наиболее оптимальный вид термической обработки. Главное - помнить при этом о возможностях изменения параметров и характеристик операции термической обработки деталей, таких как температура и скорость нагрева, темп охлаждения, которые дают возможность получения различных свойств для определенной стали.
В данной работе мы разработали технологический процесс термообработки втулки шлицевой карданного вала автомобиля ЗИЛ-130. Термическая обработка представляла собой комплекс операций: цементация, закалка и низкий отпуск. После данных операций была получена необходимая твердость HB255-302, что обеспечит качественную работу детали и необходимый срок эксплуатации. Так же мы изучили влияние на сталь таких химических элементов как углерод, хром, марганец.
Список литературы
1. Технология конструкционных материалов. Материаловедение: краткий терминологический словарь-справочник / М.Л. Пантух, Ю.А. Лобейко. - Изд. 2-е, перераб. и доп. - М.: Колос: Ставрополь: АРГУС, 2008. - 223.
2. Материаловедение. Технология конструкционных материалов: учеб. для вузов / В.А. Оськин; В.В. Евсиков. - М.: КОЛОСС, 2007
3. Материаловедение и технология металлов/Г.П. Фетисов, М.Г. Карпман, В.М. Матюнин [и др.]. - М.:Высш.шк., 2006. - 862 с.
4. Материаловедение и технология конструкционных материалов: учеб. для вузов/ С.Н. Колесов, И.С. Колесов. - М.:Высш. шк., 2004.-578 с.
5. Дальский, А.М. [и др.]. Технология конструкционных материалов/ А.М. Дальский. - М.: Машиностроение, 2005. - 592 с.
6. Марочник сталей и сплавов / Под общ. ред. А.С. Зубченко.-М.: Машиностроение, 2003. - 784 с.