Выбор и обоснование способа термической обработки детали

СОДЕРЖАНИЕ
Введение……………………………………………………………………….…...3
1 Характеристика стали 50……………………………………………………......4
2 Условия работы деталей и предъявляемые требования……..…......................6
3 Термическая обработка деталей из стали 50…………………………..………8
3.1 Предварительная термообработка……………………………………..8
3.2 Окончательная термическая обработка……………………….………10
Заключение………………………………………………………………………...14
Список использованных источников…………………………………………….15
ВВЕДЕНИЕ
Термическая обработка – самый распространенный в современной технике способ изменения свойств металлов и сплавов. На металлургических и машиностроительных заводах термическая обработка является одним из важнейших звеньев технологического процесса производства полуфабрикатов и деталей машин. Термообработку применяют как промежуточную операцию для улучшения технологических свойств (обрабатываемости давлением, резанием и др.) и как окончательную операцию для придания металлу или сплаву такого комплекса механических, физических и химических свойств, который обеспечивает необходимые эксплуатационные характеристики изделия. Чем ответственнее конструкция, тем, как правило, больше в ней термически обработанных деталей.
При нагреве и охлаждении изменяется структура металлического материала, что обусловливает изменение механических, физических и химических свойств и влияет на его поведение при обработке и эксплуатации.
В настоящее время актуальным является теоретически обоснованный выбор подходящих конструкционных материалов для деталей различного назначения и поиск рациональных способов формирования в них требуемых свойств для обеспечения надежности и долговечности.
Целью данной работы является правильный выбор способа термической обработки зубчатого колеса и прокатного валика из стали 50.
Для достижения поставленной цели необходимо решение следующих задач:
- изучить состав, свойства и структуру стали 50;
- определить условия работы деталей и установить предъявляемые требования;
- назначить режимы термической обработки деталей;
- изучить свойства и структуру деталей из стали 50 после назначенной термообработки.
1 Характеристика стали 50
Сталь 50 – среднеуглеродистая, качественная (количество вредных примесей – серы и фосфора менее 0,035 % каждого элемент), спокойная, по структуре – доэвтектоидная, по назначению – конструкционная машиностроительная.
Полный химический состав стали 50 представлен в таблице 1, технологические свойства – в табл. 2, механические свойства – в табл. 3.
Таблица 1 – Химический состав стали 50
C Si Mn Ni S P Cr Cu As
0.47 - 0.55 0.17 - 0.37 0.5 - 0.8 до   0.3 до   0.04 до   0.035 до   0.25 до   0.3 до   0.08
Таблица 2 – Технологические свойства стали 50
    Свариваемость:     трудносвариваемая.
        Флокеночувствительность:     малочувствительна.
        Склонность к отпускной хрупкости:     не склонна.
Таблица 3 – Механические свойства стали 50 в состоянии поставки
ГОСТ  Состояние поковки  Сечение, мм  σв(МПа) δ5 (δ4 ) (%) ψ %
не менее    
1050-881577-9316523-70 (Образцы поперечные)  Сталь горячекатаная, кованая, калиброванная и серебрянка 2-й категории после нормализацииСталь калиброванная 5-й категории:после нагартовкипосле отжига или высокого отпускаЛисты отожженные или высокоотпущенныеЛист горячекатаныйЛист холоднокатаный  25ОбразцыОбразцы80До 22-3,9До 22-3,9 630660560580540-720 540-720  14612 17(12)(13)(13)(14) 403040------------ --- 
Твердость стали 50 в состоянии поставки – 167 HB.
Применение: зубчатые колеса, прокатные валки, штоки, тяжелонагруженные валы, оси, бандажи, малонагруженные пружины и рессоры, лемехи, пальцы звеньев гусениц, муфты сцепления коробок передач, корпуса форсунок и другие детали, работающие на трение.
Значение температур критических точек стали 5 представлены в табл. 4.
Таблица 4 – Критические точки стали 50
Температура критических точек, оС
Ас1 Ас3 Аr1 Mn
725 760 690 300
Структура стали 50 в исходном состоянии состоит из перлита и феррита (рис. 1).

Рисунок 1 – Структура доэвтектоидной стали 50
2 Условия работы деталей и предъявляемые требования
Зубчатое колесо или шестерня, зубчатка (рис. 2) – основная деталь зубчатой передачи в виде диска с зубьями на цилиндрической или конической поверхности, входящими в зацепление с зубьями другого зубчатого колеса.

Рисунок 2 – Зубчатое колесо
Зубчатые колеса при эксплуатации испытывают знакопеременные нагрузки, большие контактные напряжения, поэтому основными требованиями, предъявляемыми к материалу для изготовления данных деталей машин, являются высокая поверхностная твердость при сохранении вязкой сердцевины.
Валки прокатных станов (рис. 3) предназначены для выполнения основной операции прокатки – пластической деформации металла и придания ему требуемой формы и размеров сечения. В процессе прокатки валки воспринимают возникающее усилие и передают его на подшипники.

Рисунок 3 – Прокатные валки
Валки прокатных станов работают в очень тяжелых условиях – на них действуют большие усилия; в зоне контакта металла с валками возникают значительные напряжения, поэтому к материалу для их изготовления предъявляются требования высокой поверхностной твердости, прочности и износостойкости при сохранении вязкой сердцевииы.
Таким образом, к представленным деталям предъявляются следующие требования: твердость поверхности 50 – 55 HRC при твердости сердцевины 200 – 210 HВ.
3 Термическая обработка деталей из стали 50
Многие ответственные детали работают на истирание и одновременно подвергаются действию ударных нагрузок. Такие детали должны иметь высокую поверхностную твердость, хорошую износостойкость и в то же время не быть хрупкими, т. е. не разрушаться под действием ударов.
Высокая твердость поверхности деталей при сохранении вязкой и прочной сердцевины достигается методом поверхностной закалки.
Для получения требуемых механических свойств проводят термическую обработку:
предварительную термическую обработку (отжиг) проводят для снятия внутренних напряжений, полученных при предыдущих видах обработки, а также подготовки структуры к дальнейшей термообработке, также для уменьшения твердости для улучшения обрабатываемости резанием;
улучшение (закалку с высоким отпуском) для получения необходимых механических свойств по всему сечению детали;
поверхностная закалка ТВЧ с последующим низким отпуском для обеспечения повышенной износостойкости поверхности.
3.1 Предварительная термообработка
Горячая обработка давлением приводит к образованию крупнозернистости, при более низких температурах может возникать строчечная структура. Для исправления структуры после обработки давлением проводят нормализацию.
Для доэвтектоидных сталей проводят нормализацию, которая заключается в нагреве стали до температуры на 30-50°С выше критической точки Ас3 или линии GS на диаграмме железо - цементит (рис. 4), выдержке и охлаждении на воздухе.

Рисунок 4 – Участок диаграммы железо - цементит
Нормализация сопровождается полной фазовой перекристаллизацией (феррита в аустенит), обеспечивает получение мелкозернистой структуры перлит + феррит. Измельчение зерна способствует повышению механических свойства стали 50.
Температура нагрева при нормализации (точка 1 на рис. 4):
Тн= Ас3 + (30-50 оС) (1)
Для стали 50:
Тн= 760 + (30-50 оС) = 780 - 810 оС.
При нормализации при нагреве выше критической температуры Ас3 происходит превращение исходной крупнопластинчатой феррито-перлитной структуры в аустенит, дальнейшее медленное охлаждение с печью приведет к образованию мелкозернистой феррито-перлитной структуры.
Превращение перлита в аустенит происходит при постоянной температуре Ас1 и называется эвтектоидным превращением.
Длительность выдержки при нормализации углеродистой стали 50 назначается из расчета 1 мин на 1 мм сечения деталей. Для деталей сечением 120 мм время выдержки составит 120 мин (2 ч).
В результате нормализации образуется мелкозернистая феррито-перлитная структура. Твердость деталей после нормализации составит менее 200-207 HB.
График режима нормализации деталей из стали 50 приведен на рис. 5.

Рисунок 5 – График предварительной термообработки стали 50
3.2 Окончательная термическая обработка
Высокая твердость поверхности деталей при сохранении вязкой и прочной сердцевины достигается методом поверхностной закалки.
Из современных методов поверхностной закалки наибольшее распространение в машиностроении находит закалка при нагреве токами высокой частоты (закалка ТВЧ).
Поверхностная закалка ТВЧ заключается в нагреве поверхностного слоя детали выше критических точек с последующим быстрым ее охлаждением струей воды.
Температура нагрева поверхностного слоя детали при поверхностной закалке назначается в зависимости от содержания С в стали по диаграмме состояния Fе–С. Она принимается более высокой по сравнению с обычной (объемной) закалкой и зависит от скорости нагрева: чем выше скорость нагрева, тем выше температура. Время нагрева составляет до 10 с, при этом развивается скорость нагрева от 100 до 800 °С/с, а температура нагрева достигает 900...950 °С.
В результате поверхностной закалки изменится структура поверхностного слоя стали: при нагреве феррит и перлит превратятся в аустенит, при охлаждении аустенит превратится в мартенсит. При этом структура сердцевины останется без изменений (перлит и феррит) (рис. 6).
INCLUDEPICTURE "http://topuch.ru/visshego-professionalenogo-obrazovaniya-samarskij-gosudarstvve/7264_html_m2e0032a5.png" \* MERGEFORMATINET
аб
Рисунок 6 – Структура стали при нагреве до температур закалки (а) и
после охлаждения при закалке ТВЧ (б)
При поверхностной закалке с использованием индукционного нагрева можно получить твердость HRC, большую на 3–5 единиц, чем при закалке после нагрева в печи. Это явление часто объясняют высокой скоростью охлаждения при поверхностной закалке в мартенситном интервале температур, исключающей возможность отпуска в процессе закалки.
После закалки с индукционным нагревом действительное зерно аустенита мельче (балл 11–12), чем при обычной закалке с печным нагревом (балл 7–10). Предварительная нормализация, при которой была получена мелкодисперсная структура, и использование высоких скоростей нагрева (500–1000 °С/с) при аустенитизации позволяют получить особо мелкое зерно аустенита (балл 14–15) и мартенсита. Сталь с таким зерном обладает высокими механическими свойствами.
Большинство деталей машин (оси, валы и др.) работают в условиях, когда максимальные напряжения возникают в поверхностных слоях, где сосредоточены концентраторы напряжений.
При знакопеременной нагрузке трещины усталости, как правило, возникают на поверхности под влиянием растягивающих напряжений. При образовании на поверхности остаточных напряжений сжатия они уменьшают растягивающие напряжения, возникающие от внешней нагрузки, и поэтому повышается предел выносливости.
Особенно эффективен этот метод для серийного и массового производства. В то же время он экономически нерентабелен для закалки единичных деталей, для каждой из которых требуется изготовить собственный индуктор и подобрать режим обработки.
После закалки ТВЧ проводят низкий отпуск.
Низкий отпуск происходит при нагреве закаленной стали до температуры 180 - 200 °С, в результате чего в поверхностном слое образуется отпущенный мартенсит (Мотп), имеющий отношение параметров решетки с/а = 1, т. е. вместо тетрагонального М образуется кубический мартенсит. Это приводит к снижению внутренних напряжений и некоторому снижению твердости стали.
Длительность выдержки при низком отпуске назначается из расчета 2 ч + 1 мин на 1 мм сечения деталей. Для деталей сечением 120 мм время выдержки составит 4 ч.
При этом на поверхности образуется структура мартенсита отпуска (возможно присутствие остаточного аустенита), далее находится зона, подвергшаяся неполной закалке со структурой мартенсита отпуска и феррита, в сердцевине – незакаленная зона со структурой – феррит + перлит.
Таким образом, назначенная термообработка позволяет получить высокую прочность и твердость поверхностного слоя НRС 50-55 при сохранении вязкой сердцевины с твердостью 200 - 207 HB.
В результате назначенной термообработки сталь будет иметь твердую, прочную и износостойкую поверхность и вязкую и пластичную сердцевину.
График режимов окончательной термообработки представлен на рис. 7.

Рисунок 7 – График окончательной термообработки стали 50
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
В работе изучены условия работы деталей – зубчатого колеса и прокатного валика, изготовленных из стали 50, которая является углеродистой, конструкционной машиностроительной.
Установлены основные требования, предъявляемые к данным деталям: высокая поверхностная твердость, прочность и износостойкость при сохранении вязкой сердцевины.
Для получения требуемых свойств назначена термическая обработка. Состоящая из предварительной термообработки – нормализации для улучшения механических свойств по всему сечению деталей и окончательная – закалка ТВЧ с последующим низким отпуском.
Также изучены структура и свойства термически обработанных деталей.
Назначенная термообработка обеспечит получение требуемых свойств, соответствующих условиям эксплуатации.
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ
1. Материаловедение и технология материалов [Электронный ре-сурс]: учеб. пособие / под ред. А.И. Батышева и А.А. Смолькина. – М.: ИНФРАМ, 2018. – 288 с. [ЭБС ИНФРА-М]
2. Технология конструкционных материалов [Электронный ресурс]: учебник / А.А. Афанасьев, А.А. Погонин. – 2-е изд., стереотип. – М.: ИН-ФРА-М, 2019. – 656 с. [ЭБС ИНФРА-М]
3. Галимов Э.Р. Современные конструкционные материалы для машиностроения [Электронный ресурс]: учебное пособие / Э.Р. Галимов, А.Л. Абдуллин. – 3-е изд., стер. – Санкт-Петербург: Лань, 2020. – 268 с. [ЭБС Лань]
4. Материалы и их технологии. В 2 ч. Ч. 1. [Электронный ресурс]: Учебник / В.А. Горохов, Н.В. Беляков, А.Г. Схиртладзе; Под ред. В.А. Горохова. – М.: НИЦ ИНФРА-М; Мн.: Нов. знание, 2014. – 589 с. [ЭБС ИНФРА-М]
6. Материаловедение и технология конструкционных материалов. Под редакцией В.С. Чередниченко. М.: Омега – Л. 2006 – 752с.
7. Оськин В.А. Материаловедение. Технология конструкционных материалов/ В.А. Оськин и др. Кн. 1 – М.: КолосС, 2008 – 447с.4.
8. Ржевская С.В. Материаловедение: учеб. для вузов. – 3-е изд., перераб. и доп. – М.: Изд-во Моск. гос. гор. ун-та, 2003. – 456 с.
9. Дальский А.М. Технология конструкционных материалов. /А.М. Дальский и др.-М.: Машиностроение; 2005. - 592с.
10. Марочник сталей и сплавов/ под ред. А.С. Зубченко. – М.: Машиностроение, 2001. – 671 с.