ЭТАП 1. Определение особенностей работы изделия при эксплуатации, их анализ в соответствии с условиями задания.
Высокоточный вал-шестерня принадлежит механизму перемещения рабочего стола координатно-расточного станка. 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.
Вращение передаётся через зубчатое зацепление. Отказ или разрушение вал-шестерни влечёт за собой прекращение передачи крутящего момента и как в следствии отказ двигательных агрегатов. Наиболее загруженной частью вал-шестерни является зуб.
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.
Именно поэтому при изготовлении вал-шестерни так активно применяется термообработка, благодаря которой можно удовлетворить высокие требования, предъявляемые к механическим свойствам поверхности (твёрдость зубьев HV не менее 980, глубина упрочнённого слоя Δh от 0.35 до 0.40 мм) и в сердцевины (предел текучести σ0,2 не менее 980 МПа), а так же снизить риск возникновения повреждения данной детали, и тем самым обеспечить более долгий срок работы машинного узла, в состав которого она входит.
Проведённый анализ задания показывает, что при весьма сложной геометрии вал-шестерни выбираемая сталь должна иметь невероятно высокую твёрдость в зоне зубьев, что достигается таким процессом, как азотирование. В такой ситуации очевидно, что для выбора стали, предназначенной для изготовления этой детали, в качестве решающего (определяющего) фактора следует рассматривать требование высокого предела текучести σ0,2 не менее 980 Мпа, а также податливость стали процессу азотирования.
В качестве материала для валов-шестерней чаще всего применяют конструкционные углеродистые и легированные стали (прокат, поковка и реже стальные отливки), так как они обладают высокой прочностью, способностью к поверхностному и объемному упрочнению, легко получаются прокаткой цилиндрические заготовки и хорошо обрабатываются на станках, а также высокопрочный модифицированный чугун и сплавы цветных металлов (в приборостроении).
ЭТАП 2. Выбор конкретной марки стали, которая по всем параметрам будет соответствовать требованиям задания.
Для изготовления осей, валов, валов-шестерней, коленчатых и кулачковых валов, зубчатых венцов, шпинделей, оправок, реек и других улучшаемых деталей повышенной прочности в основном применяют следующие конструкционные легированные стали: 40Х, 45Х, 38ХА, 40ХН, 40ХС, 40ХФ, 40ХР,38х2мюа. Все они имеют достаточно разный спектр своих механических характеристик, поэтому, исходя из данных нам для изготовление условий: предел текучести сердцевины σ0,2 не менее 980 МПа приступим к выбору конкретной стали:
Механические свойства стали 40Х в зависимости от температуры отпуска |
||||||
Температура отпуска, °С |
σ0,2 (МПа) |
σв(МПа) |
δ5 (%) |
ψ % |
KCU (кДж / м2) |
HB |
200 |
1560 |
1760 |
8 |
35 |
29 |
552 |
300 |
1390 |
1610 |
8 |
35 |
20 |
498 |
400 |
1180 |
1320 |
9 |
40 |
49 |
417 |
500 |
910 |
1150 |
11 |
49 |
69 |
326 |
600 |
720 |
860 |
14 |
60 |
147 |
265 |
Механические свойства стали 40ХС в зависимости от температуры отпуска |
||||||
Температура отпуска, °С |
σ0,2 (МПа) |
σв(МПа) |
δ5 (%) |
ψ % |
KCU (кДж / м2) |
HB |
Закалка 900 °С, масло. Охлаждение после отпуска на воздухе |
||||||
200 300 400 500 600 |
1670 1570 1370 1100 900 |
1960 1810 1580 1320 1030 |
10 10 10 11 16 |
40 43 45 11 16 |
59 29 59 60 78 |
575 530 460 380 320 |
Механические свойства стали 38Х2МЮА в зависимости от температуры отпуска |
||||||
Температура отпуска, °С |
σ0,2 (МПа) |
σв(МПа) |
δ5 (%) |
ψ % |
KCU (Дж / см2) |
HB |
Закалка 900 °С, масло |
||||||
300 400 500 600 |
1660 1520 1270 1080 |
1810 1670 1420 1180 |
8 10 10 12 |
43 39 44 60 |
39 10 29 78 |
550 600 450 370 |
Как видно из таблиц, лишь в стали 38Х2МЮА можно получить необходимый предел текучести сердцевины для нашей детали, все остальные стали имеют слишком низкую температуру достижения такого уровня предела текучести и исключают возможность проведения азотирования для получения заданной прочности.
Таким образом, с использованием «Марочника сталей и сплавов» выбрана сталь 38Х2МЮА, которая по уровню предела текучести вполне удовлетворяет требованиям задания. Её химический состав по основным компонентам приведён в следующей таблице:
Химический состав в % стали 38Х2МЮА |
||
C |
0,35 - 0,42 |
|
Si |
0,2 - 0,45 |
|
Mn |
0,3 - 0,6 |
|
Ni |
до 0,3 |
|
S |
до 0,025 |
|
P |
до 0,025 |
|
Cr |
1,35 - 1,65 |
|
Mo |
0,15 - 0,25 |
|
Al |
0,7 - 1,1 |
|
Cu |
до 0,3 |
|
Fe |
~95 |
|
Следует отметить, что эта сталь достаточно высокого качества: содержание примесей серы и фосфора в ней не более 0,025% (каждого элемента). Зная точный химический состав стали, можно приступить к разработке режима её упрочняющей термической обработки применительно к конкретному изделию – заданному высокоточному валу-шестерне.
ЭТАП 3. Разработка режима упрочняющей термической обработки, выбранной стали в соответствии с требованиями задания.
В соответствии с заданием к свойствам материала высокоточного вала-шестерни предъявляются весьма сложные требования. Сердцевина должна иметь высокий предел текучести, а зубья должны иметь высокую твердость. Очевидно, что подобное сочетание свойств в одном изделии представляет собой сложную технологическую задачу. Её можно решить только путем применения комбинированной обработки. Сначала необходимо для всего изделия подобрать вариант объёмной закалки и отпуска, обеспечивающий получение требуемого предела текучести сердцевины, а затем только для рабочей части зубьев выполнить азотирование (глубина упрочнённого слоя Δh от 0.35 до 0.40 мм). Для разработки этих режимов упрочняющей термической обработки в качестве ориентиров нужны значения критических точек выбранной стали 38Х2МЮА, которая относится к группе доэвтектоидных конструкционных легированных сталей. Эти сведения представлены в марочнике и приведены в следующей таблице:
Ас1 |
Ас3 |
МН |
800 |
865 |
330 |
Доэвтектоидные стали подвергают, как известно, полной закалке и температуру нагрева под закалку определяют исходя из соотношения:
Тнагрева = Ас3 + (30…50) °С
Для стали 38Х2МЮА это соотношение даёт расчётную оптимальную температуру закалки 895…915°С. В «Марочнике» представлены свойства этой стали для варианта закалки 900°С, что вполне приемлемо и будет далее рассматриваться в качестве ориентира. Учитывая, что выбранная сталь 38Х2МЮА – легированная, а закаливаемая деталь имеет сложную форму, охлаждение при проведении закалки следует проводить в масле. Такую же рекомендацию находим и марочнике.
Любая закаленная стальная деталь из-за быстрого охлаждения имеет высокий уровень закалочных (остаточных) напряжений. Это же касается и объёмной закалки вала-шестерни, учитывая явную разнотолщинность разных зон этого изделия. Поэтому отпуск должен проводиться сразу после закалки (не позднее 1…2 часов) во избежание коробления или растрескивания изделия. По условиям задания предел текучести сердцевины данного изделия σ0,2 должен быть не менее 980 МПа. Очевидно, что обе цели (понижение закалочных напряжений и повышение предела текучести) достигаются одновременно точным выбором режима отпуска закалённой стали. Режим отпуска был выбран в соответствии с данными, приведёнными в марочнике. Влияние температуры отпуска стали 38Х2МЮА на её механические свойства представлены в следующей таблице (закалка при 900°С):
Механические свойства стали 38Х2МЮА в зависимости от температуры отпуска |
||||||
Температура отпуска, °С |
σ0,2 (МПа) |
σв(МПа) |
δ5 (%) |
ψ % |
KCU (Дж / см2) |
HB |
Закалка 900 °С, масло |
||||||
300 400 500 600 |
1660 1520 1270 1080 |
1810 1670 1420 1180 |
8 10 10 12 |
43 39 44 60 |
39 10 29 78 |
550 600 450 370 |
Как следует из данных, приведенных в таблице, получение σ0,2 не менее 980 МПа должен гарантировать отпуск стали 38Х2МЮА при температуре 600°C. Таким образом, в соответствии с требованием задания для получения нужного уровня предела текучести можно рекомендовать отпуск при 600°С. Такой отпуск называется высоким; он полностью снимает закалочные напряжения и обеспечивает в сталях распад мартенсита с образованием дисперсной смеси феррита и цементита, получившей название «сорбит отпуска».
Таким образом, объёмная упрочняющая термическая обработка вала-шестерни: закалка и высокий отпуск. Однако рабочая часть зубьев детали на глубине упрочнённого слоя Δh от 0.35 до 0.40 мм должна иметь максимальную твёрдость – 980 HV. Это требование задания может быть выполнено путём применения азотирования, которое проводится при температуре 510°С, в течении 15 часов.
В результате для стали 38Х2МЮА рекомендуется использовать комбинированную упрочняющую обработку, гарантирующую получение высокой твёрдости поверхности зубьев (980 HV, на глубене Δh от 0.35 до 0.40 мм) и предела текучести сердцевины не менее σ0,2 980 МПа. Полная схема разработанной упрочняющей термической обработки стали 38Х2МЮА представлена на рисунке. Она включает объёмную закалку при температуре 900°C, охлаждение в масле, высокий отпуск при 600°С с ускоренным охлаждением и азотирование.
В соответствии с разработанной схемой упрочняющей термической обработки можно представить последовательность структурных превращений в стали 38Х2МЮА на каждой её стадии. Исходное структурное состояние стали – феррит и перлит с преобладанием перлитной компоненты, так как сталь с повышенным содержанием углерода.
1. Объёмная закалка. При нагреве превращение протекает в две стадии:
• при переходе стали через критическую точку Ас1 перлит превращается
в аустенит;
• при переходе стали через критическую точку Ас3 завершается
полиморфное превращение феррита в аустенит, химический состав
которого при выдержке становится однородным и соответствует
содержанию элементов в стали. Охлаждение в масле гарантирует
без диффузионный характер превращения аустенита и получение
структуры мартенсита во всём объёме изделия.
2. Высокий отпуск при 530°С. В процессе выдержки протекает распад
мартенсита с образованием феррито-цементитной смеси (образуется
сорбит отпуска) и полностью снимаются закалочные напряжения.
3. Азотирование при температуре 510°С, в течении 15 часов- насыщение поверхности стальных деталей азотом для повышения твердости, износоустойчивости и коррозионной стойкости.
Заключение
Таким образом, в результате выполнения домашнего задания для изготовления высокоточного вала-шестерни механизма перемещения рабочего стола координатно-расточного станка была выбрана конструкционная легированная сталь 38Х2МЮА, разработан режим её комплексной упрочняющей термической обработки, гарантирующий получение заданных свойств: твёрдость зубьев HV не менее 980, глубина упрочнённого слоя Δh от 0.35 до 0.40 мм и предел текучести σ0,2 сердцевины не менее 980 Мпа.
ЛИТЕРАТУРА
1. Марочник сталей и сплавов /под ред. В.Г. Сорокина. - М.: Машиностроение, 1989.- 640 с.
2. Марочник сталей и сплавов /под ред. В.Г. Сорокина и др. - М.: Интермет Инжиниринг, 2003.- 608 с.
3. Марочник сталей и сплавов /под ред. А.С. Зубченко и др. - М.: Машиностроение, 2001.- 672 с.
4. Детали машин. Атлас конструкций. Учебное пособие для вузов /под ред. Д.Н. Решетова. Часть 1. М.: Машиностроение, 1992.- 352 с.
5. Детали машин. Атлас конструкций. Учебное пособие для вузов /под ред. Д.Н. Решетова. Часть 2. М.: Машиностроение, 1992.- 296 с.
6. Материаловедение: Учебник для вузов / под ред. Б.Н. Арзамасова, Г.Г. Мухина.- М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2001.- 648с.
7. Справочник по конструкционным материалам / под ред. Б.Н. Арзамасова , Т.В. Соловьёвой.- М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2005.- 640с.
8. Башмин Ю.А., Ушаков Б.К., Секей А.Г. Технология термической обработки (учебник для вузов), М.: Металлургия, 1986.- 424 с