СОДЕРЖАНИЕ 
 
 
 
 
 
 

 
 
 
 
 
 
 
 

ВВЕДЕНИЕ

      Металловедением называется наука, устанавливающая связь между составом, структурой и свойствами металлов и сплавов и изучающая закономерности их изменения при тепловых, химических, механических, электромагнитных и радиоактивных воздействиях.

      Все металлы и сплавы принято делить на две группы.

      Железо  и сплавы на его основе (сталь, чугун) называют черными металлами, а остальные металлы (Be, Mg, Al, Ti, V, Cr, Mn, Co, Ni, Cu, Zn, Zr, Nb, Mo, Ag, Sn, W, Au, Hg, Pb и др.) и их сплавы – цветными.

      Современное машиностроение характеризуют непрерывно растущая энергонапряженность, а также  тяжелые условия эксплуатации машин. Такие условия работы машин предъявляют к материалам особые требования. Для удовлетворения этих требований создано много сплавов на основе различных металлов.

      В современной технике широко применяют стали, обеспечивающие высокую конструктивную прочность, и сплавы, которые остаются прочными при высоких температурах, вязкими при температурах, близких к абсолютному нулю, обладающие высокой коррозионной стойкостью в агрессивных средах или другими физико-химическими свойствами.

      Число новых сплавов непрерывно растет.

      В специальном машиностроении все шире применяют так называемые композиционные материалы, сплавы с памятью формы и т.д.

      За  последние годы достижения материаловедения обеспечили небывалый прогресс в разработке конструкционных и инструментальных материалов в различных областях техники. Исследования реальной структуры твердых тел показали принципиальную возможность получения сплавов с прочностью, приближающейся к теоретической, определяемой прочностью межатомных связей.   

1 АНАЛИЗ МАТЕРИАЛА  ДЕТАЛИ

      В курсовой работе назначена марка материала для изготовления- сталь 15Х2НГТА.Это означает, что в стали содержится 0,15 % углерода,2%  хрома,1% никеля,1 % марганца,1 % титана, сталь высококачественная, т.е. в ней содержится уменшенное количество примесей фосфора и серы.

     Наличие хрома повышает прочность, коррозионную стойкость, прокаливаемость (при этом пластичность и вязкость падают).

     В хромистых сталях в большей степени  развивается промежуточное превращение  и при закалке с охлаждением  в масле, выполняемой после цементации, сердцевина изделия имеет бейнитное строение. Вследствие этого хромистые стали по сравнению с углеродистыми обладают более высокими прочностными свойствами при несколько меньшей пластичности в сердцевине

     Никель  находится только в твердом растворе и повышает коррозионные свойства сталей, а также прочность и вязкость.

     Марганец  и никель являются аустенизаторами, т.е. растворяясь в железе, расширяет область аустенита.

Метод упрочнения (термообработки): цементация (газовая).  
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

 
 
 

 
 

2 РАЗРАБОТКА ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ПРОЦЕССА ТЕРМИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКИ

      В качестве способа термической обработки  зубьев принимаем газовую цементацию с последующей закалкой и низким отпуском.

     2.1 Общая характеристика цементации

      Цементацией называется процесс насыщения поверхностного слоя стали углеродом. Различают два основных вида цементации: твердыми углеродосодержащими смесями (карбюризаторами) и газовую. Целью цементации является получение твердой и износостойкой поверхности, что достигается обогащением поверхностного слоя углеродом до концентрации 0,8÷1,2% и последующей закалкой с низким отпуском. Цементация и последующая термическая обработка одновременно повышают и предел выносливости.

      Для цементации обычно используют низкоуглеродистые стали 0,1÷0,18% С. Для крупногабаритных деталей применяют стали с более высоким содержанием углерода (0,2÷0,3%). Выбор таких сталей необходим для того, чтобы сердцевина изделия, не насыщающаяся углеродом при цементации, сохраняла высокую вязкость после закалки.

      Для цементации детали поступают после механической обработки нередко с припуском на шлифование 0,05÷0,10 мм. Во многих случаях цементации подвергается только часть детали; тогда участки, не подлежащие упрочнению, защищают тонким слоем меди (0,02÷0,04 мм), которую наносят электролитическим способом или изолируют специальными обмазками, состоящими из смеси огнеупорной глины, песка и асбеста, замешанных на жидком стекле, и др.

      Цементацию проводят при температурах 920÷950°С, когда устойчив аустенит, растворяющий в больших количествах углерод. При цементации стали атомы углерода диффундируют в решетку γ-железа. По достижении предела насыщения аустенита углеродом, определяемого линией SE на диаграмме Fe-Fe₃C, на поверхности может образоваться сплошной слой цементита.

      В реальных условиях цементации образование на поверхности слоя цементита наблюдается крайне редко. Обычно при температуре цементации 920÷950°С диффузионный слой состоит только из аустенита, а после медленного охлаждения – из продуктов его распада – феррита и цементита.

      Цементированный слой имеет переменную концентрацию углерода по глубине, убывающей от поверхности к сердцевине детали. В связи с этим после медленного охлаждения в структуре цементованного слоя можно различить (от поверхности к сердцевине) три зоны: заэвтектоидную, состоящую из перлита и вторичного цементита и образующую сетку по бывшему зерну аустенита; эвтектоидную, состоящую из одного пластинчатого перлита, и доэвтектоидную зону, состоящую из перлита и феррита. Количество феррита в этой зоне непрерывно возрастает по мере приближения к сердцевине.

      За  техническую (эффективную) толщину  цементованного слоя обычно принимают  сумму заэвтектоидной, эвтектоидной и половины переходной (доэвтектоидной) зон или глубину до твердости HRC50 или HV500÷600 после закалки.

      Опыт показывает, что толщина цементованного слоя для деталей, изготовляемых из стали с ≤ 0,17% С, составляет 15% от наименьшей толщины или диаметра цементуемого сечения. При содержании в стали > 0,17% С толщину слоя уменьшают до 5÷9%, а для изделий, работающих на износ, не испытывающих больших удельных нагрузок, до 3÷4% от наименьшей толщины или диаметра цементуемого сечения. Чаще всего толщина слоя 0,5÷2,0 мм.

      Концентрация углерода в поверхностном слое должна составлять 0,8÷1,0%. Для получения максимального сопротивления контактной усталости содержание углерода может быть повышено до 1,1÷1,2%. Более высокая концентрация углерода вызывает ухудшение механических свойств цементуемого изделия. 

2.2 Характеристика газовой цементации

      Под цементацией принято понимать процесс высокотемпературного насыщения поверхностного слоя стали углеродом. Так как углерод в α-фазе практически нерастворим, то процесс цементации осуществляется в интервале температур 930–950 °С — т. е. выше α → γ-превращения. Структура поверхностного слоя цементованного изделия представляет собой структуру заэвтектоидной стали (перлит и цементит вторичный), поэтому для придания стали окончательных — эксплуатационных — свойств после процесса цементации необходимо выполнить режим термической обработки, состоящий в закалке и низком отпуске; температурно-временные параметры режима термической обработки назначаются в зависимости от химического состава стали, ответственности, назначения и геометрических размеров цементованного изделия. Обычно применяется закалка с температуры цементации непосредственно после завершения процесса химико-термической обработки или после подстуживания до 800–850 °С и повторного нагрева выше точки АС3 центральной (нецементованной) части изделия. После закалки следует отпуск при температурах 160–180 °С. 

Цементация  как процесс химико-термической  обработки, в основном, применяется для низкоуглеродистых сталей типа Ст2, СтЗ, 08, 10, 15, 20, 15Х, 20Х, 20ХНМ, 18ХГТ, 25ХГТ, 25ХГМ, 15ХГНТА, 12ХНЗА, 12Х2Н4А, 18Х2Н4ВА и др., однако в ряде случаев может быть использована при обработке шарикоподшипников — стали ШХ15, 7Х3 и коррозионностойких сталей типа 10Х13, 20Х13 и т. д. Стали, рекомендуемые для цементации, должны обладать хорошей прокаливаемостью и закаливаемостью цементованного слоя, которые должны обеспечить требуемый уровень прочности, износостойкости и твердости. Прокаливаемость сердцевины должна регулироваться в весьма узком диапазоне твердостей, который составляет 30–43 HRCЭ. Учитывая длительность процесса цементации и высокую температуру процесса, рекомендуется при этом виде химико-термической обработки использовать наследственно мелкозернистые стали, размер зерна которых не должен превышать 6–8 баллов. В противном случае в ходе цементации отмечается значительный рост зерна сердцевины изделия, что приводит к снижению его эксплуатационных свойств. 

Цементация  производится в углероднасыщенных  твердых, жидких или газообразных средах, называемых карбюризаторами, основные составы которых приведены в табл. 1, а в табл. 2 и 3 даны рекомендации по режимам термической обработки цементованных изделий. 

При твердофазной цементации процесс ведут следующим  образом. Цементуемые детали упаковываются в цементационные ящики таким образом, чтобы их объем, в зависимости от сложности конструкции детали, занимал от 15 до 30 % объема цементационного ящика. Ящики загружают в печь, нагретую до температур от 600–700 °С и нагревают до температуры цементации — 930–950 °С. По окончании процесса цементации ящики вынимаются из печи — охлаждение деталей ведется внутри цементационных ящиков на воздухе. К числу недостатков цементации в твердых карбюризаторах относятся: невозможность регулирования степени насыщения и невозможность проведения закалки непосредственно после цементации, дополнительный непродуктивный расход энергии на прогрев цементационных ящиков и т. п. Однако простота метода, возможность проводить процесс на стандартном печном оборудовании без установки дополнительных устройств делают этот метод весьма распространенным в условиях мелкосерийного производства в ремонтных цехах и на участках крупных предприятий.

     2.3 Термическая обработка стали после цементации и свойства цементованных деталей

      Окончательные свойства цементованных изделий достигаются в результате термической обработки, выполняемой после цементации. Этой обработкой можно исправить структуру и измельчить зерно сердцевины и цементованного слоя, неизбежно увеличивающихся во время длительной выдержки при высокой температуре цементации, получить высокую твердость в цементованном слое и хорошие механические свойства сердцевины; устранить карбидную сетку в цементованном слое, которая может возникнуть при насыщении его углеродом до заэвтектоидной концентрации.

      2.3.1 Характеристика  закалки

      Закалка заключается в нагреве стали  на 30÷50°С выше Ас₃ для доэвтектоидных сталей или Ас₁ для заэвтектоидных сталей, выдержке для завершения фазовых превращений и последующем охлаждении со скоростью выше критической. Для углеродистых сталей это охлаждение проводят чаще в воде, а для легированных – в масле или в других средах. Закалка не является окончательной операцией термической обработки. Чтобы уменьшить хрупкость и напряжения, вызванные закалкой, и получить требуемые механические свойства, сталь после закалки обязательно подвергают отпуску.

      Инструментальную  сталь в основном подвергают закалке и отпуску для повышения твердости, износостойкости и прочности, а конструкционную сталь – для повышения прочности, твердости, получения достаточно высокой пластичности и вязкости; для ряда деталей также и высокой износостойкости.

      В большинстве случаев после цементации применяют закалку выше точки Ас₁ (сердцевины) при 820÷850°С.

      После газовой цементации применяют закалку  без повторного нагрева, а непосредственно  из цементационной печи после подстуживания  изделий до 840÷860°С. Такая обработка не исправляет структуры цементованного слоя и сердцевины. Поэтому непосредственную закалку применяют только в случае, когда изделия изготовлены из наследственно мелкозернистой стали. Для уменьшения деформации цементованных изделий выполняют также ступенчатую закалку в горячем масле 160÷180°С.

      Иногда  термическая обработка состоит  из двойной закалки и отпуска. Первую закалку (или нормализацию) с  нагревом до 880÷900°С назначают для исправления структуры сердцевины. Кроме того, при нагреве в поверхностном слое в аустените растворяется цементитная сетка, которая при быстром охлаждении вновь не образуется. Вторую закалку проводят с нагревом до 760÷780°С для устранения перегрева цементованного слоя и придания ему высокой твердости. Недостаток такой термической обработки заключается в сложности технологического процесса, повышенном короблении, возникающем в изделиях сложной формы, и возможности окисления и обезуглероживания.

      В результате термической обработки  поверхностный слой приобретает  структуру мартенсита или мартенсита с небольшим количеством избыточных карбидов в виде глобулей.