МИНИСТЕРСТВО СЕЛЬСКОГО ХОЗЯЙСТВА РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «КУБАНСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ АГРАРНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ»

Кафедра ремонта машин и материаловедения

Разработка технологического процесса и расчет параметров режима термической

обработки деталей

Методическое указание к расчетно-графической работе по материаловедению

Краснодар Куб ГАУ

2016

1

					УДК 621.7(076.5)

ББК 34.5

Рецензент:

Плешаков В.Н. - доктор технических наук, профессор (Кубанский государственный аграрный университет).

Коллектив авторов:

М. И. Чеботарев, В. Д. Карпенко, Б.Ф.Тарасенко, С. А. Горовой Компьютерный набор текста и рисунки выполнила А.А.Одабашян

«Разработка технологического процесса и расчет параметров режима термиче-

ской обработки деталей» Методическое указание к расчетно-графической работе по материаловедению/ М. И. Чеботарев, В. Д. Карпенко, Б.Ф. Тарасенко, С. А. Горовой – Краснодар: КубГАУ, 2016.-37 с.

В методическом указании приведены методика и пример выполнения расчетно-графической работы по разработке технологического процесса и расчету параметров ре-жима термической обработки деталей. Оно позволяет закрепить теоретические знания по материаловедению и получить практические навыки для применения в производстве.

Предназначены для студентов очного и заочного обучения по дисциплине «Материало-ведение и технология конструкционных материалов» для направления подготовки 35.05.06 «Агроинженерия» профиль «Технические системы в агробизнесе» и по дисци-плине «Материаловедение» для направления подготовки 23.05.01 «Наземные транспорт-но-технологические средства».

Рекомендовано к изданию методической комиссией факультета механизации (протокол №5 от 15.12.2015 г.)

УДК 621.7(076.5)

ББК 34.5

© Чеботарев М. И., Карпенко В. Д., Тарасенко Б.Ф, Горовой С. А.

© ФГБОУ ВПО «Кубанский государственный аграрный университет», 2016

2

Содержание

Введение

Методика разработки технологического процесса и расчета режимов термической обработки детали

Пример выполнения расчетно-графической работы «Разработка техноло-гического процесса и расчет параметров режима термической обработки деталей»

Рекомендуемая литература

Приложение: Варианты индивидуальных заданий к расчетно-графической работе «Разработка технологического процесса и расчет параметров режима термической обработки деталей»

4

5

22

35

36

3

Введение

Свойства металлов и сплавов определяются их внутренним строением - структурой. Од-ним из эффективных способов позволяющих изменить в значительной степени структуру и улучшить свойства металлов и сплавов является термическая обработка, значение которой трудно переоценить в современном машиностроении.

Следует, отметь, что термическая обработка металлов является важным и трудно усвояе-мым разделом дисциплины «Материаловедение». Поэтому самостоятельная работа студента на тему «Разработка технологического процесса и расчет режимов термической обработки дета-ли»позволит ему закрепить теоретические знания и получить практические навыки для приме-нения их в производственной деятельности.

4

1 Методика разработки технологического процесса и расчета режимов термической обработки деталей

1.1 Цель работы

Освоить методику и получить практические навыки по разработке технологического процесса и назначению режимов термической обработки деталей машин.

1.2 Задание

1.2.1 Разработать технологический процесс и назначить параметрырежима термической обработки заданной детали.

1.2.2 Составить отчет.

1.3 Оборудование рабочего места

Лабораторный практикум, ГОСТ 5264– 80, справочная литература по материаловедению.

1.4 План выполнения работы

1.4.1 Предварительно до выполнения расчетно-графической работы изучить (используя учебники и справочную литературу по материаловедению, лекционные материалы, лаборатор-ный практикум, интернет) существующие производственные технологические процессы тер-мической обработки деталей машин.

1.4.2 Получить у преподавателя вариант индивидуального задания с исходными данными для выполнения работы.

1.4.3Дать описание материалав состоянии поставки, из которого изготовлена заданная де-таль, и обосновать его выбор.

1.4.4 Обосновать и назначить виды термической обработки заданной детали и составить маршрутную карту технологического процесса.

1.4.5 Обосновать и назначить параметры режима термической обработки заданной детали.

1.4.6Разработать технологическую карту процесса термической обработки заданной детали.

1.4.7 Сделать выводы и составить отчет.

1.5Общие сведения

1.5.1 Термическая обработка металлов.

Термической обработкой называют технологические процессы, состоящие из нагрева, изотермической выдержки и охлаждения металлических изделий с целью изменения их струк-туры для улучшения механических свойств (рисунок 1).Термической обработке подвергают как черные, так и цветные металлы, и их сплавы, в том числе слитки, отливки, поковки, свар-ные соединения, детали машин, инструменты и др.

5

Т

0

С

,

Выдержка

Охлаждение

Нагрев

О

т

ж

и

г

Н

о

р

З

м

а

а

к

л

а

и

л

з

к

а

ц

а

и

я

t , ч Рисунок 1.1 – Схема термической обработки

Различают следующие основные виды термической обработки металла: отжиг, закалка и отпуск.

Отжигом называют вид термической обработки металла, заключающийся в нагреве до-определенной температуре выдержке при этой температуре и медленном охлаждении. Цель отжига – снижение твердости и улучшение обрабатываемости металла, изменение формы и ве-личины зерна, выравнивание химического состава и снятие внутренних напряжений.

Существуют несколько видов отжига.

Отжиг 1 рода необусловлен фазовыми превращениями, поэтому может быть применен для любых металлов и сплавов. Скорость нагрева и охлаждения для этого вида отжига не имеет принципиального значения.

Различают следующие разновидности отжига1 рода:

Диффузионный отжиг (гомогенизация) устраняет химическую неоднородность в слитках и отливках. Для устранения диффузионных процессов этот отжиг производится при температу-ре 1000…1100⁰С с длительной выдержкой при этой температуре (10…15 часов).

Рекристаллизационный отжиг устраняет наклеп (упрочнение) и увеличение хрупкости металла, которые возникают при холодной обработке давлением. Нагрев осуществляют до температуры выше рекристаллизации, которая составляет 600…650 ⁰С, время выдержки – 8…12 ч. В результате рекристаллизационного отжига образуется однородная мелкозернистая структура с небольшой твердостью и значительной вязкостью.

Отжиг для уменьшения остаточных напряжений, возникающих в изделиях при обработке давлением или резанием, в сварных конструкциях, отливках и т.д. осуществляется при темпера-туре 350…600⁰С, то есть несколько ниже температуры рекристаллизации данного металла и применяется с целью предотвращения коробления и стабилизации размеров изделия, снижения склонности его к хрупкому разрушению.

Отжиг II рода применяют для сплавов, претерпевающих при нагреве и охлаждении фазо-вые превращения. Этот вид отжига в основном применяют для стальных изделий и подразде-ляют на полный и неполный;

Полному отжигу подвергают отливки, поковки, сварные узлы из доэвтектоидных сталей для устранения в них крупнозернистости и других пороков структуры, а также для уменьшения твердости и остаточных напряжений. Для этого отжига сталь нагревают на 30-50⁰С выше кри-тической точки А_С3- линии GS (рисунок 1.2-1.3), выдерживают при этой температуре в тече-нии времени, необходимого для завершения фазовых превращений, затем медленно (обычно с печью) охлаждают.

6

Рисунок 1.2 – Диаграмма состояния железоуглеродистых сплавов

(Fe-Fe₃C)

0

Т ,С

Аустенит

Е

+50

+30

А

G

сm

А+Ц

11

А

С3

s

+50

А+Ф

Р

+20

АС1

А

К

С1

П + Ц

11

Ф +П

0,4

С,%

0

0,8

1,1

2,14

Рисунок 1.3 – Нижняя часть диаграммы Fe-Fe₃C (участок стали) с указанием интервала температур нагрева для закалки

Неполный отжиг способствует улучшению обрабатываемости стали резанием. Для этого сталь нагревают до температуры А_С1 + (20-50)⁰ С, то есть несколько выше линии РSК (рису-

нок1.3).

Разновидностью отжига стали является нормализация. Она заключается в нагреве метал-ла на 30…50⁰С выше точки А_с3 или А_сm(линии GSЕ), выдержке при этой температуре и по-следующим охлаждением на воздухе (рисунок 3).Ускоренное по сравнению с отжигом охла-ждение обуславливает образование в стали перлита более тонкого строения и тем самым неко-торое повышение ее механических свойств, а также снижение внутренних напряжений. Нор-

7

мализация является ресурсосберегающим технологическим процессом и широко применяется в машиностроении и при ремонте автомобилей, тракторов, сельскохозяйственных машин и раз-личного оборудования.

Наиболее распространенным видом термической обработки является закалка. Она предна-значена для повышения твердости, прочности и износостойкости стали засчет изменения её структуры.

Закалка это технологический процесс термической обработки заключающейся в нагреве стали до температуры выше фазовых превращений, выдержке при этой температуре и охлажде-нию со скоростью обеспечивающий получение неравновесной структуры. Качество закалки зависит от температуры нагрева, времени выдержки и скорости охлаждения, то есть основными параметрами закалки являются температура нагрева время выдержки и скорость охлаждения.

Она применяется для сплавов, претерпевающих при нагреве и охлаждении фазовые пре-вращения. Принципиальным отличием между отпуском и закалкой является большая скорость охлаждения при закалке, достаточная для предотвращения обратных фазовых превращений в сплаве. Закалке в основном подвергают– стали и чугуны. Наряду с ним закаливают и сплавы на основе цветных металлов: алюминия, меди, титана, никеля и др.

В зависимости от температуры нагрева различают полную и неполную закалку стали. Для доэвтектоидных сталей применяют полную закалку. При этом её нагревают до температуры на 30-50⁰С выше точки А_С3 линииGSДля заэвтектоидных сталей применяют неполную закалку с нагревом на 20-50⁰С выше точки А_С1–линии SK(рисунок 2.3).

Температура нагрева для закалки легированных сталей несколько отличается от указан-ных и определяется в зависимости от состава с структуры стали.

Для обеспечения необходимой скорости охлаждения стали (определяемой ее составом) применяют различные охлаждающие среды: воду, минеральное масло и др.

В результате закалки в стали образуется так называемая мартенситная структура, облада-ющая наибольшей прочностью и твердостью (НВдо 600 МПа), но с низкой ударной вязкостью.

Для большинства деталей в машиностроении обязательно применяют процесс отпуска. Закалка стали с последующим высоким отпуском называется «улучшением».

Отпуск – это процесс термической обработки который заключается в нагреве закаленной стали до температуры ниже фазовых превращений Ас₁, выдержке при заданной температуре и последующем охлаждении с определенной скоростью (обычно на воздухе).

Отпуску подвергают закаленную сталь с целью получения более устойчивого структур-ного состояния, повышения ее ударной вязкости и пластичности, уменьшения твердости, хруп-кости закаленной стали, снятия внутренних напряжений.Отпуск является окончательной опера-цией термической обработки в результате, которого сталь получает требуемые механические свойства и структуру.

Для отпуска сталь нагревают до температуры ниже точки А_С1 (линии PSK) и затем охла-ждают обычно на воздухе. Различают низкий, средний и высокий отпуск.

Низкий отпуск характеризуется нагревом стали в интервале 150…250⁰С, выдержкой при этой температуре и последующим охлаждением на воздухе. Он выполняется с целью получения структуры мартенсита отпуска и для частичного снятия внутренних напряжений закаленный стали, а также для повышения вязкости без заметного снижения твердости. Низкий отпуск при-меняют для изделий, которые должны обладать высокой твердостью (НВ ≈ 600 МПа), например

8

режущие инструменты, не подвергающиеся ударным нагрузкам (напильники, плашки, метчики и т.д.). Твердость снижается на 3…5 единиц.

Средний отпуск производится при температурах 350..400⁰С для получения троостита от-пуска. Твердость стали заметно понижается, а вязкость увеличивается. Среднему отпуску под-вергают изделия, которые должны обладать высокой упругостью и прочностью при достаточ-ной вязкости, например пружины, рессоры. Твердость при этом снижается на 20…30% (НВ

≈ 450 МПа).

Высокий отпуск выполняется при температуре 450…650⁰С. В процессе высокого отпуска мартенсит распадается с образованием структуры сорбита отпуска. Эта структура обеспечивает лучшее сочетание прочности и пластичности стали. Высокий отпуск обеспечивает снижение твердости на 50%, получение наиболее вязкой структуры, обладающей достаточно высокой прочностью и твердостью (НВ ≈ 320 МПа). Такому отпуску подвергают обычно детали машин: валы, шестерни и т.д.

В связи с тем, что структурные составляющие и фазы закаленной легированной стали об-ладают большей устойчивостью, температуру отпуска для них назначают более высокую, чем для углеродистых.

Таким образом, термическая обработка позволяет улучшить свойства сплавов за счет из-менения их микроструктуры. Принципиальная возможность применения различных видов тер-мической обработки для различных сплавов может быть определена на основании диаграмм состояния

Оборудованием для нагревания стали служат нагревательные термические печи и печи-ванны, которые подразделяют на электрические и топливные, обогреваемые за счет сгорания топлива (газа, мазута, угля и др.). Наиболее благоприятен нагрев в печах с нейтральной или защитной атмосферой, обеспечивающей предохранение деталей от окисления.