Нитроцементация шестерн с m = 4 из стали 20ХГНР

Министерство образования науки РФ

ФГБОУ ВПО “Волгоградский Государственный Технический Университет”

Факультет подготовки инженерных кадров

Кафедра “Технология материалов”

 

 

 

 

Дисциплина: “Химки термическая обработка ”

Семестровая работа по теме:

''Нитроцементация шестерн с m = 4 из стали 20ХГНР''

 

 

 

                                              

 

 

     Подготовил: Студент группы МЛВ-469

                                                                                             А. В. Пригарин

                                             Проверил:   к.т.н. Доцент Л. В. Палаткина

 

 

 

 

                                            Волгоград 2015

Оглавление:

1. Оглавление                                                                                             Стр.2
2. Введение                                                                                                 Стр.3
3. Обоснование выбора ХТО                                                                    Стр.5
4. Уровнение диффузии                                                                            Стр.9
5. Приспособление для нитроцементации шестерен                            Стр.12

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Введение.

  Зубча́тое колесо́ или шестерня́ — основная деталь зубчатой передачи в виде диска с зубьями на цилиндрической или конической поверхности, входящими в зацепление с зубьями другого зубчатого колеса. В машиностроении принято малое зубчатое колесо с меньшим числом зубьев называть шестернёй, а большое — колесом. Однако часто все зубчатые колёса называют шестерня́ми.

      Требования предъявляемые к шестерни коробки передач: 
высокая износостойкость, бесшумность в работе, высокая контактная и изгибающая выносливость. В эти требования можно также включить высокую технологичность и низкую себестоимость. Все требования должны быть выполнены в процессе производства детали.

Высокая износостойкость, контактная и изгибающая выносливость, получена, применением легированной стали 20ХГНР при соответствующей термической обработке, которая образует тонкий поверхностный слой высокой прочности и чем выше твёрдость рабочей поверхности зубьев, тем выше допустимые контактные напряжения и тем меньше размеры передачи, что в свою очередь также немаловажно, т.к. снижается материалоемкость изделия. 
 
Наиболее важными поверхностями шестерни являются зубчатые венцы и посадочное отверстие. От точности и шероховатости этих поверхностей зависит работа всего узла. Наличие геометрических неточностей может привести к несобираемости или заклиниванию передачи. Не выполнение требований, предъявляемых к шероховатости, приводит к появлению задиров, что в свою очередь приводит к выходу из строя всего узла. Работоспособность венца обеспечивается: 
 
1) высокой твёрдостью поверхностного слоя, необходимой для увеличения сопротивления и для предотвращения усталостного выкрашивания рабочих поверхностей зуба; 
 
2) прочностью на изгиб зубьев, при одновременно высокой вязкости их сердцевины для противостояния ударным нагрузкам. 
 
Высокие механические свойства зубчатого венца и их дифференциация достигается, изготовлением колес из легированной стали, подвергаемой 
 
соответствующей химико-термической обработке: нитроцементации с последующей закалкой и отпуском.

Рисунок 1 Шестерня: а) состав шестерни, б) размеры и соотношения зуба и шестерни.

 

Рисунок 2 Параметры зубчатого колеса

Технологические свойства материала 20ХГНР .

Свариваемость:	ограниченно свариваемая.
Флокеночувствительность:	чувствительна.
Склонность к отпускной хрупкости:	склонна.

 

 
 
Механические свойства при Т=20oС материала 20ХГНР .

Сортамент	Размер	Напр.	sв	sT	d5	y	KCU	Термообр.
-	мм	-	МПа	МПа	%	%	кДж / м2	-
Пруток	Ø 25		1420	1370	14	60	1080	Нормализация 930oC, воздух, Закалка 840oC, масло, Отпуск 200oC, воздух,
Пруток	Ø 50		1200	1110	12	62	1470	Нормализация 930oC, воздух, Закалка 840oC, масло, Отпуск 200oC, воздух,
Пруток, ГОСТ 4543-71	Ø 15		1270	1080	10	50	880	Закалка и отпуск

 

 

Твердость   20ХГНР   после отжига ,             ГОСТ 4543-71

HB 10 -1 = 197   МПа

 

 

Обоснование выбора ХТО

ХТО применяется для изготовления деталей машин, у которых поверхность в результате трения подвергается износу и одновременно на них действуют и динамические нагрузки. Для успешной работы в этих условиях поверхностный слой детали должен иметь твёрдость HRC 58 … 62, а сердцевина обладать высокой вязкостью и повышенным пределом текучести при твёрдости HRC 30 … 42.

Химико-термической обработкой называют поверхностное насыщение стали соответствующим элементом (например, углеродом, азотом, алюминием, хромом и др.) путем его диффузии в атомарном состоянии из внешней среды при высокой температуре.

Процесс химико-термической обработки включает три элементарные стадии:

1. Выделение диффундирующего  элемента в атомарном состоянии  благодаря реакциям, протекающим  во внешней среде; 2. Контактирование атомов диффундирующего элемента с поверхностью стального изделия и проникновение (растворение) их в решетку железа (адсорбция); 3. Диффузия атомов насыщающего элемента в глубь металла.

Толщина проникновения (диффузия) зависит от температуры и продолжительности насыщения.

 

 

 

 

Рисунок 3 Зависимость толщины диффузионного слоя от продолжительности насыщения (а), температуры (б) и изменение концентрации по толщине диффузионного слоя (в).

В мире существует много видов Химико – термических обработок: цементаци, нитроцементация, азотирование, цианировани, алитирование, хромирование, силицирование, борирование, сульфидирование, сульфоцианирование. 

     На  основе проведённого анализа  был выбран такой вид химической  термообработки как нитроцементация.

     Нитроцементацией называется процесс насыщения поверхности стали одновременно углеродом и азотом при 700 – 950 в газовой среде, состоящей из науглероживающего газа и аммиака. Наиболее часто нитроцементация проводится при 850 - 870.

Таблица  1  Коэффициенты диффузии C и N при нитроцементации ( Б. Преженосил)

Температура,	Нитроцементация		Цементация
850 900 950	,/с	, /c	,/c	нитроцементация/цементация
	0.3 0,6 1,08	0,38 0,75 1,17	0.17 0.38 0,87	2.24 1,97 1,38

 

 

После нитроцементации следует закалка в масло с повторного нагрева или непосредственно  из нитроцементационной печи с температуры насыщения или подстуживания. Для уменьшения деформации рекомендуется применять ступенчатую закалку с выдержкой в горячем масле 180 - 200

            Процесс нитроцементации получил широкое распростронение в машиностроении для деталей, по условиям работы которых достаточна толщина упрочнённого слоя 0,2 – 1.0 мм. На ВАЗе 94.5 деталей, упрочняемых ХТО, подвергают нитроцементации. Например , нитроцементация широко применяется для упрочнения зубчатых колёс. В этом случае эффективная толщина слоя (до HV 600) шестеренс модулем 1,5 – 3,5 мм принимается 0,3 0,1, а при модуле 4,0 – 5,5 - 0,41.

             По сравнению с цементацией  нитроцементация имеет ряд существенных преимуществ. При легировании аустенита азотом снижается температура превращения. Что позволяет вести процесс насыщения при более низких температурах. Одновременно в присутствии азота резко возрастает диффузионная подвижность углерода в аустените С повышением температуры эффект ускорения уменьшается ( табл.  1 ).

          Несмотря  на значительно более низкую  температуру насыщения, скорость  роста диффузионного слоя при  цементации ( 930 - 950 ) и нитроцементации ( 840 – 860 ) на толщину 0,5 – 0,8 мм практически одинакова. Производственный цикл принитроцементации  по сравнению с цементацией сокращается на 50 – 60

            Понижение температуры насыщения, без увеличения длительности  процесса, позволяет снизить деформацию  оборудования и уменьшить время  на подстуживание перед закалкой.

             Для газовой цементации и нитроцементации применяют практически одинаковое оборудование – шахтные, камерные и проходные печи.

              Структура и свойства нитроцементированого слоя.

             При оптимальных условиях насыщения  структура нитроцементаци-онного слоя должна состоять из мартенсита, небольшого количества карбонитридов и некоторого количества остаточного аустенита (рисунок 4); структура  сердцевины  из троосбита, бейнита или малоуглелородистого мартенсита. В нитроцементованном слое нередко допускается повышенное количество остаточного аустенита, который обеспечивает хорошую прирабатываемость, например нешлифуемых автомобильных шестерн, что обеспечивает их бесшумную работу.                                                                               

Рисунок 4 Диффузионные процессы при Нитроцементации

          Стали  хромистые, хромованадиевые, хромоникелевые 20Х, 15ХФ, 20ХГНР и т. п. применяют  для изготовления деталей небольших  и средних размеров, работающих  на износ при повышенных нагрузках (втулки, валики, оси, мелкие зубчатые  колеса, кулачковые муфты, поршневые  пальцы и др.). Сталь 20ХГНР применяется: для изготовления зубчатых колес, вал-шестерней, червяков, кулачковых муфт, втулок и других ответственных деталей, работающих в условиях ударных нагрузок.Сталь конструкционная качественная хромомарганцовоникелевая с титаном и бором.

 

 

 

 

                                   Уравнения диффузии 
       Моделирование диффузионных процессов в металле основывается на первом 
 (1) 
   и втором уравнениях Фика: 
, (2) 
где ^ D – коэффициент диффузии; c – концентрация; t – время; x – координата. 
       Первое уравнение описывает удельный поток диффундирующего элемента в металле. Знак «минус» означает, что поток направлен из области с большей концентрацией в область с меньшей концентрацией. Второе уравнение Фика описывает изменение концентрации диффундирующего вещества c(x,t) в пространстве и во времени. Это уравнение непосредственно следует из баланса вещества при диффузии и выражения для потока. Оба уравнения описывают одномерную диффузию вдоль оси x, а коэффициент диффузии D не зависит от концентрации диффундирующего элемента и зависит только от температуры процесса, что является допущением, принимаемым для упрощения решения поставленной задачи.

  Начальные и граничные услови 
 
Для решения уравнения (2) аналитическим или численным методом необходимо задать начальные и граничные условия, определяемые из анализа процессов, происходящих при химико-термической обработке. Начальное распределение (при t=0) концентрации диффундирующего элемента в металле определяется условием: 
, (1) 
а в случае постоянной начальной концентрации: 
. (2) 
        Если рост диффузионного слоя контролируется диффузией в металле, то используется граничное условие 1-го рода:  
 (3) 
т.е. концентрация на поверхности детали cS (при x=0) является функцией времени или в частном случае: 
 (4) 
       Концентрация на поверхности детали определяется, как правило, экспериментальным путем. 
Иллюстрация для случая для потенциала среды 1,2%, времени выдержки 21600 с (6 ч). 
 
 
 
 
 
       Граничное условие 2-го рода используется, когда рост диффузионного слоя контролируется процессами, происходящими на поверхности металла, например, адсорбцией или химической реакцией. В этом случае при решении уравнения задается поток вещества через поверхность металла как функция времени. 
     Граничное условие третьего рода наиболее достоверно описывает реальный процесс массопереноса на поверхности металла при химико-термической обработке: 
, для x=0 (5) 
 
где k – константа скорости процесса, происходящего на поверхности детали.

 
                 Приспособление для нитроцементации шестерен

Для получения шестерен без коробления необходим равномерный нагрев в печи, зависящий от положения деталей в печи при нитроцементации (рис. 5) и нагрева под закалку; это особенно важно для шестерен диаметром 400-600 мм с высотой зуба 218 мм и для шестерен резко переменного сечения (толщина венца 218 мм, толщина диска 40 мм).

Рис.5 Приспособление для нитроцементации шестерен.

Наиболее рациональным путем предотвращения или снижения коробления шестерен при нагреве является применение соляных ванн. При погружении детали в расплавленную соль на детали образуется тонкая корочка закристаллизовавшейся соли, резко снижающей коэффициент теплопередачи, предохраняющей деталь от теплового удара, увеличивающего коробление.

Одним из современных методов закалки шестерен, обеспечивающий минимальное коробление, является ступенчатая закалка. Мартенситное превращение при ступенчатой закалке начинается одновременно по всему сечению детали, что устраняет появление, напряжений.

Исследования показали, что изделия в аустенитном состоянии при температуре выше АС3, никогда не восстанавливают свою форму в той степени, как при ступенчатой закалке, когда аустенит находится при более низких температурах. Одной из причин этого является внезапное разупрочнение во время мартенситного превращения, сопровождаемое повышением твердости с одновременным снижением сопротивления изгибу и упругих свойств деталей. Наибольшие пластические свойства возникают в завершающей стадии мартенситного превращения, по-видимому, в результате разновременности превращения в разных точках изделия.

Для снижения коробления шестерен особенно благоприятным является сочетание ступенчатой и фиксирующей закалки, т. е. закалка в штампах или на оправках. Наибольшая деформация происходит к концу мартенситного превращения, но в это время шестерня оказывается зафиксированной. В результате разупрочнения деталь на некоторое время становится более пластичной и принимает форму приспособления (штампа или оправки). Первоначальная конструкция штампа — переход от венца к диску не под прямым углом — не оправдала себя.

Дальнейшее усовершенствование штампа и обработка профиля шестерни (переход от венца к диску строго под углом 90°) позволило производить закалку в штампах на оправках (для стали 20ХГНР) с минимальным короблением.

Положительные результаты дает фиксирующая закалка на оправках и в штампах, создающих натяг при остывании шестерни (например, размер шестерни 329,8А, размер штампа 330); натяг по сравнению с относительным линейным удлинением невелик: 0,2-0,3 мм на диаметр 300-500 мм. Правда, этот опыт нуждается в более тщательном и детальном подтверждении.

Оправки, показанные на рис. 3, не позволяют проводить разборку после фиксирующей закалки и обеспечивают надежность и безопасность в работе.

Рис.6 Оправка для воздушной закалки крупных венцов и шестерен из стали 20ХГНР: 1 — разрезная оправка; 2 — конус.

Одним из основных мероприятий по борьбе с короблением является замена высокотемпературной (первой) закалки нормализацией — для стали 12ХГНР и ее исключение (вернее, сочетание с охлаждением после разовой цементации) для стали 18ХГНР. Ведь коробление при закалке нитроцементуемых деталей аналогично короблению однородной стали с ограниченной прокаливаемостью.

Применение даже самых совершенных методов закалки не может привести к нулевым короблениям. Практика показала, что отработка технологии закалки шестерен сложной формы с минимальным короблением должна производиться на изделиях, так как величина и характер коробления определяются сложностью геометрической формы. Для борьбы с короблением необходимо систематическое наблюдение за короблением и деформацией деталей при термической обработке с использованием статистических методов контроля.

 

 

ТИГЕЛЬНЫЕ ПЕЧИ

Тигельные печи используют для плавки металлов и сплавов, и к тому же для хранения всевозможных расплавов. Обычно тигельные печи создаются в стационарном и опрокидываемом положений. Разновидность тигельных стационарных печей хорошо подходит для плавки металла и также хранения его в расплавленном состоянии в зависимости от заливки в специальные формы. Устройства тигельных печей часто используют для того чтобы разлить металл из печи благодаря ее наклону вокруг своей оси.

Нагревание в тигельных печах производится с помощью спиралей, сделанных из фехралевой проволоки, которая намотана на корундовую трубку, также для этой цели может использоваться карбид кремниевый. Встроенный стержневой нагреватель в тигельной печи предоставляет возможность достичь более высоких температурных режимов при плавлении металлов.

Управлять тигельной печью можно через специально предназначенный электронный блок, который производит регулирование и контроль температурного режима. Для того чтобы уменьшить инерционность канала управления термопара нужно установить керамическую соломку, которая с открытым спаем.

 

 

Тигельная печь газовая для цементации и закалки

	Тигельные газовые печи идеально подходят для организации мелкосерийного производства, для цементации и закалки частей автомобильной промышленности, мотоциклов, велосипедов, шестерен, слесарно-монтажного инструмента и других металлических частей.
	Применяемый газ - метанол, толуол
		Вид закаленной продукции перед погружением в закалочное масло

 

 

 

Технические характеристики тигельной печи газовой для цементации и закалки

Модель	Внешний диаметр печи х высота печи, мм	Диаметр защитного тигеля х высота, мм	Диаметр х высота опорной стойки, мм	Мощность, кВт
R-829-1	1430х1450	500х1200	350х600	35
R-829-2	1530х1750	600х1500	450х900	65
R-829-3	1880х2050	750х1800	600х1200	90

 

 

 

Закалочный (масляной) бак	Технические характеристики
	Модель Общая длина х ширина бака, мм Диаметр бака, мм Внутренний диаметр х высота бака, мм Объём бака, Л Мощность, кВт R-830-1 2400х1950 1440 700х950 3200 10 R-830-2 2650х2440 1840 970х1200 5200 10 R-830-3 2650х2440 1840 970х1200 5200 10
		Бак для промывки и обезжиривания
Технические характеристики бака промывки и обезжиривания Модель Внешний диаметр х высота бака, мм Внутренний диаметр х высота бака, мм Мощность, кВт R-831-1 800х1000 500х800 15 R-831-2 1000х1220 600х1100 15 R-831-3 1000х1530 750х1400 15

 

 

 

 

Тигельная печь с горячим дутьем

 

 

 

 

	Вид печи в рабочем режиме
	Технические характеристики печи: Модель Внешний диаметр и высота печи, мм Внутренний диаметр и высота печи, мм Мощность, кВт R-832-3 1580х1830 790х1450 55
Автоматическая панель температурного контроля		Баки для хранения метанола/ толуола

 

 

Тигельные печи с максимальной температурой 900–1200 градусов применяют для плавки олова, цинка, их сплавов. Нагрев в данных печах производится с помощью спиралей, сделанных из фехралевой проволоки. Конструкции тигельной печи, у которой максимальная температура равняется 1400 градусов, используют для плавки меди и разных медных сплавов. Для того чтобы нагреть нужно воспользоваться n-образным карбидом-кремниевым нагревателем, который обязательно установлен горизонтально.

Если производить более высокотемпературные сплавы с помощью тигельных печей нужно применить специальные тигли и дисилицид, то есть специальные нагревательные элементы. В ёмкости тигельных печах также есть возможность дозагрузки тигля во время плавки без открывания крышки. В сравнении с другими моделями печей конструкция данной печи очень экономична, так как в ней используются новые высокоэффективные футеровочные материалы, сделанные из высокотемпературных нагревателей, у которых нагревательные элементы с повышенным ресурсом.