Заводу поручено изготовить зубчатые колеса сложной формы диаметром 50 мм и высотой 100 мм, которые должны обладать твердостью на поверхности не ниже HRC 58-60, а в сердцевине – пределом прочности не ниже 400 МПа. Завод изготовил первую партию зубчатых колес из углеродистой цементуемой стали, однако некоторые зубчатые колеса получили деформацию при закалке. (Решение → 24315)

Заказ №38657

Заводу поручено изготовить зубчатые колеса сложной формы диаметром 50 мм и высотой 100 мм, которые должны обладать твердостью на поверхности не ниже HRC 58-60, а в сердцевине – пределом прочности не ниже 400 МПа. Завод изготовил первую партию зубчатых колес из углеродистой цементуемой стали, однако некоторые зубчатые колеса получили деформацию при закалке.

Подобрать марку стали и рекомендовать режим термической обработки после цементации, чтобы обеспечить получение заданных механических свойств и устранить брак по деформации.

Указать микроструктуру стали в сердцевине и поверхностном слое после окончательной обработки и причины, вызывающие деформацию при закалке.

ОТВЕТ:

Зубчатые колеса широко применяют в машинах, механизмах и приборах различных отраслей машиностроения. Наилучшая макроструктура зубчатых колес получается при штамповке, когда расположение волокон соответствует конфигурации колеса, так как в этом случае прочность на изгиб повышается.

При выборе стали для изготовления зубчатых колес необходимо учитывать ее стоимость, обрабатываемость, прокаливаемость и деформацию колеса при термической обработке. Так как основным элементом зубчатого колеса является зуб, применяемые стали и методы упрочнения должны обеспечивать высокую контактную и усталостную прочность, прочность при изгибе, ударе и износостойкость зуба.

Цементуемые зубчатые колеса изготовляют из сталей 20Х, 12ХН3А, 12Х2Н4А, 20Х2Н4А, 25ХГМ, 20ХН2М, 18ХГТ, 25ХГТ, 30ХГТ, 20ХГР, 18Х2Н4ВА и др.

Для указанных условий выбираем конструкционную легированную хромоникелевую сталь: 12ХН3А, в состав которой входят 0,12% углерода, около 1% хрома, 3% никеля; повышенного качества (А).

Для подготовки структуры к обработке колес на металлорежущих станках и для улучшения механических свойств готовых зубчатых колес штампованные заготовки перед обработкой на металлорежущих станках подвергают термической обработке – отжигу (полному, изотермическому) или нормализации, или нормализации с высоким отпуском. Наилучшей для резания (получение наименее шероховатой поверхности металла) является структура после изотермического отжига по режиму: нагрев до температуры в точке Ac3 (773ºС) + 50°С, выдержка, кратковременное переохлаждение до 480 – 500 °С и изотермическая выдержка при 580 – 600 °С.

Можно также применить ускоренное охлаждение штампованных заготовок от температуры конца ковки до 500 – 600 °С с последующим использованием остаточного тепла.

Для газовой цементации зубчатых колес применяют муфельные и безмуфельные печи. Обычно обработку проводят на поточных линиях, в которые входят толкательная печь для газовой цементации, механизированный закалочный бак, промывочная машина, печь для отпуска, камера для охлаждения колес после отпуска. Температура в печи для газовой цементации по длине рабочей камеры поддерживается равной температуре цементации, а у разгрузочного конца температура понижается до температуры подстуживания.