Задачи по выбору материала для конкретных условий эксплуатации и обоснование режимов термической обработки с целью получения заданных ст

 

Федеральное  агентство по образованию

ФГАОУ ВПО «Российский государственный профессионально-педагогический университет»

Машиностроительный институт

Кафедра материаловедения, технологии контроля в машиностроении и методике профессионального обучения

 

 

 

 

Практическая работа № 1

по теме: «Задачи по выбору материала для конкретных условий эксплуатации и обоснование режимов термической обработки с целью получения заданных структур»

 

 

 

Исполнитель:

студент группы КМ-201

Завада Н. А.

Руководитель:

Проф., д-р техн. Наук

Гузанов Б. Н.

 

 

 

Екатеринбург 2014

 

 

Вариант 3

1. Материал для изготовления следующих деталей:

а) Материал для шестерни коробки передач.

В термически необработанном состоянии механические свойства всех сталей без термообработки недопустимо. При выборе марки сталей для зубчатых колёс, кроме твёрдости, необходимо учитывать размеры заготовки. Это объясняется тем, что прокаливае6мость сталей различна: углеродистых – наименьшая; высоколегированных – наибольшая. Стали с плохой прокаливаемостью (углеродистые конструкционные) при больших сечениях нельзя термически обработать на высокую твёрдость. Поэтому марку стали для упрочняемых зубчатых колёс выбирают с учётом их размеров, а именно диаметра D вала- шестерни или червяка и наибольшей ширины сечения колеса S с припуском на механическую обработку после нормализации или улучшения. Таким образом, окончательный выбор марки сталей для зубчатых колёс (пригодность заготовки колёс) необходимо производить после определения геометрических размеров зубчатой передачи.  
 
Из рекомендаций по выбору механических свойств наиболее употребляемых марок сталей в зависимости от термообработки (твёрдости) с учётом размеров зубчатых колёс следует, что для одной и той же марки стали в зависимости от вида термообработки можно получить различные механические свойства. Поэтому при выборе материала для шестерни и для шестерни и колеса желательно ориентироваться на применение одной и той же марки стали, но с различной твёрдостью (различной термообработкой). При этом необходимо принимать среднее значение твёрдости данной марки стали как наиболее вероятное. При твёрдости обоих колёс >350 НВ не требуется обеспечивать разность твёрдости зубьев шестерни и колеса.  
 
Стальное литьё обладает пониженной прочностью и используется обычно для колёс крупных размеров, работающих в паре с кованной шестерней. Применяют стали 35Л, 40Л, 5Л, 40ГЛ. Литые колёса подвергают нормализации или улучшению. 

Чугуны. Тихоходные и малонагруженные открытые и реже закрытые передачи зубчатого колеса изготовляют из серого чугуна марок СЧ 25 и выше и высокачественного чугуна. Зубья чугунных колёс хорошо прирабатываются и хорошо противостоят усталостному разрушению и заеданию в условиях бедной смазки.

в) Материал для втулки подшипника скольжения.

 Алюминиевые бронзы Бр.АЖ 9–4, Бр.АЖН10–4–4. 
Содержат в своем составе до 10 % алюминия, дополнительно легированы никелем, магнием, железом. Эти бронзы имеют повышенные механические характеристики, могут работать вплоть до температуры 450-500º С, в том числе в условиях ударных нагрузок.

2. Углеродистая инструментальная сталь У7 относится к нетеплостойким сталям, небольшой прокаливаемости и повышенной вязкости. Применяют ее для изготовления инструментов, которые испытывают ударные нагрузки: деревообрабатывающих, слесарных, кузнечных, а так же пуансонов и матриц.

Эта сталь чувствительна к перегреву, поэтому режимы термической обработки (отжиг, закалка) должны выдерживаться  в довольно узких пределах.

Для получения необходимой структуры и свойств сталь в основном подвергаются отжигу для получения исходной структуры, а также закалке и отпуску для получения окончательной структуры и свойств. Режимы термической обработки (закалка) определяются химическим составом стали, исходной величиной зерна, скоростью нагрева, температурой и продолжительностью выдержки при этой температуре, а так же скоростью охлаждения.

При нагреве под закалку исходной структурой стали является аустенит. Величина зерна аустенита зависит от температуры нагрева и продолжительности выдержки. Известно так же, что склонность к росту зерна аустенита зависит от наличия примесей, в том числе нерастворимых (это является плавочной характеристикой).

В процессе закалки при охлаждении стали в результате структурных превращений и изменения объема металла появляются внутренние напряжения. Эти напряжения приводят к следующим дефектам: образованию трещин, деформации и короблению, изменению объема стали, обезуглероживанию и окислению, появлению мягких пятен, низкой твердости и перегреву.

Закалочные трещины - это неисправимый брак, образующийся в процессе термической обработки. В крупных деталях, например в матрицах и ковочных штампах, закалочные трещины могут появляться даже при закалке в масле. Поэтому такие детали целесообразно охлаждать до 150-200°С с быстрым последующим отпуском.

Трещины возникают при неправильном нагреве (перегреве), большой скорости охлаждения и при несоответствии химического состава стали.

Закалочные трещины образуются чаще всего при слишком резком охлаждении или нагреве в результате возникающих в деталях внутренних напряжений.

В заводской практике часто встречаются поверхностные трещины, которые обычно располагаются в виде сплошной или разорванной сетки. Такие трещины возникают в процессе поверхностной закалки при нагреве токами высокой частоты или газопламенной закалки, когда охлаждение ведется слишком холодной водой, а также при перегреве металла.

Поверхностные трещины могут возникать не только в процессе термообработки, но и при шлифовании закаленных деталей, если они были неправильно отпущены.

Равномерный отпуск после закалки и правильные режимы шлифования полностью устраняют возникновение трещин.

Коробление деталей происходят в результате неравномерных структурных и связанных с ними объемных превращений и возникновения внутренних напряжений при охлаждении.

При закалке стали, коробление во многих случаях происходит и без значительных объемных изменений, в результате неравномерного нагрева и охлаждения деталей. Если, например, деталь небольшого сечения и большой длины нагревать только с одной стороны, то она изгибается, нагретая сторона при этом удлиняется благодаря тепловому расширению и становится выпуклой, а противоположная - вогнутой. При одностороннем охлаждении в процессе закалки (особенно в воде) быстро охлажденная сторона детали за счет теплового сжатия станет вогнутой, а обратная сторона - выпуклой. Следовательно, нагревать и охлаждать детали при закалке следует равномерно.

 

3. 30Х13 – машиностроительная конструкционная сталь, легирована хромом.

30 – содержание углерода 0,30 %

Х13 – содержание хрома 13%

Сталь 30Х13 применяется для изготовления режущего, мерительного инструмента, пружин, карбюраторных игл, подшипников, деталей компрессоров, детали внутренних устройств аппаратов и других изделий, работающих до температур 400-450 °С и в слабоагрессивных средах.

Стали 30Х13  хорошо подвергается горячей пластической деформации, которую проводят в интервале 1100-850 °С. Сталь склонна к образованию трещин при быстрых скоростях нагрева и охлаждения. В связи с этим при нагреве под горячую деформацию применяют медленный подогрев до 830 °С, а после деформации - замедленное охлаждение в стопе, песке или в печи Холодная пластическая деформация стали ограничена. В качестве смягчающей термической обработки после горячей деформации применяют промежуточный отжиг при 740-800 °С или полный отжиг при 810880 °С с последующим медленным охлаждением 25-50 °С/ч до 600 °С. После холодной пластической деформации - отжиг при 750 °С.  
    Окончательной термической обработкой является закалка с 950-1050 °С с охлаждением в масле или на воздухе и отпуск на заданную твердость и коррозионную стойкость.