Разработка технологии термической обработки втулки из стали 45

Министерство  образования и науки Украины

Донецкий  национальный технический университет 
 
 

Кафедра «физическое

материаловедение» 
 
 
 

Индивидуальное  задание 

по курсу:

«Технологические  основы термической обработки»

на тему:

«Разработка технологии термической обработки втулки из стали 45» 
 
 

   Выполнил                                                                        ст. гр. ПМ-04

   Мармур  М.К. 

   Проверил                                                                                    доцент

   Егоров  Н. Т. 
 
 
 

Донецк 2008

 

 
СОДЕРЖАНИЕ 

      ВВЕДЕНИЕ  ……………………………………………………………… 4

1 Описание  условий работы втулки и предъявляемых  к ней                                требований ………………………………………………….........……. 5

      2 Выбор и обоснование марки  стали ………………………………….… 7

      3 Разработка технологии термической обработки втулки ………….... 10

      4 Контроль качества …………………………………………………….. 13

      ЗАКЛЮЧЕНИЕ …………………………………………………………. 15

      СПИСОК  ЛИТЕРАТУРЫ ......................................................................... 16 

 

ВВЕДЕНИЕ 

      Термическая обработка – это одна из важнейших этапов производства проката, инструментов, деталей машин и стальных изделий.

      Так с помощью термической обработки можно добиться требуемых свойств исследуемой втулки относительно дешёвым способом, при этом можно обойтись (либо существенно снизить) легированием дорогостоящими элементами, и понизить её стоимость благодаря уменьшению массы изделия. В ряде случаев не обязательно получить комплекс свойств по всему сечению, достаточно применить термическую обработку к поверхностным слоям втулки и получить требуемые свойства, не в ущерб эксплуатационным характеристикам.

      Целью данной работы является разработка технологии термической обработки для втулки токарного станка. Исследуемая втулка, предназначенная для уменьшения коэффициента трения на рабочем валу двигателя токарного станка. Двигатель сконструирован так, что установить подшипники на валу нельзя, поэтому для уменьшения коэффициента трения качения и предотвращения износа вала применяют только втулки. При этом втулка должна иметь достаточное сопротивление контактному износу, высокую конструктивную прочность и стойкость при кручении. Требуемый комплекс свойств можно получить разными путями: деформационно-термической обработкой, обработкой металла давлением (вытяжкой, волочением), применением композиционных материалов и т. д. Но самым эффективным целесообразным и простым способом обработки втулки является термическая обработка.

      Эффективность этого процесса во многом зависти  от режимов и параметров термической обработки. Именно поэтому разработка технологии термической обработки втулки является важной задачей производственного процесса в целом.

 

       1 ОПИСАНИЕ УСЛОВИЙ РАБОТЫ ВТУЛКТИ  И

      ПРЕДЪЯВЛЯЕМЫХ К НЕЙ ТРЕБОВАНИЙ 

      Втулка, которая изображёна на рисунке 1.1. предназначена для сниже- 
 
 
 
 
 

Рисунок 1.1 – Эскиз втулки

ния нагрузок, которые испытывает рабочей вал, при работе двигателя токарного станка. При вращении якоря постоянного тока – собственно движущего механизма станка, возникает сопротивление, вызванное трением на валу двигателя. К тому же данная втулка при эксплуатации испытывает нагрузки на изгиб, смятие и кручение. Для снижения этих нагрузок применяется втулка, снаружи она прикрепляется к двигателю станка, а внутри неё вращается, собственно, рабочий вал. Чтобы уменьшить трение при работе механизма, втулка изнутри покрыта смазывающим веществом, для которого предусмотрены 4 смазочные канавки.

      Таким образом, данная втулка является важной деталью двигателя, так как предотвращает возможные снижения технических показателей токарного станка, и поэтому она должна соответствовать ряду требований.

      Основными характеристиками втулки являются: высокая усталостная и конструктивная прочность, определяемая оптимальным сочетанием прочности и ударной вязкости, также она должна иметь достаточную твёрдость и износостойкость. Необходимыми технологическими свойствами втулки является хорошая обрабатываемость резанием, малая склонность к образованию трещин и обезуглероживанию при термообработке; но самое главное – это свозная прокаливаемость и постоянство свойств по всему сечению. Также не следует забывать и то, что к данной втулке должны быть соблюдены требования к поверхности, т. е. наличие окалины, трещин, следов короблений не допускается.

      Учитывая  всё это, конструкторские исследования показали, необходимо использовать втулку, которая будет обладать следующими свойствами:

• предел текучести – σ_т не менее 570-600 Н/мм²;
• временное сопротивление – σ_в не менее 730-750 Н/мм²;
• твёрдость – 210-240 НВ;
• ударная вязкость KCU менее 160 Дж/см².

 

 

       2 ВЫБОР И ОБОСНОВАНИЕ МАРКИ СТАЛИ 

      Исходя  из условий работы и предъявляемых  к изделию требований, мы предположим, что заготовка, из которой в последствии будет выточена втулка, может быть изготовлен из трёх марок стали: Ст 35, Ст 40 и Ст 45.

      Так для обеспечения данной втулке требуемых свойств за основной показатель при выборе улучшаемой стали примем прокаливаемость. Так как в зависимости от прокаливаемости стали изменяются глубина закаленного слоя по всему изделию. К тому же данная втулка при эксплуатации испытывает нагрузки на изгиб, кручение смятие, для этого ей необходим закалённый слой со структурой состоящей не менее, чем из 90% мартенсита расположенного на глубине не меньше чем 2-3 мм [3]. Такие свойства можно обеспечить с помощью закалки и высокого отпуска, т.е. улучшения для придания, для придания необходимых свойств втулке.

      Сведения  о прокаливаемости сталей 35, 40, 45 приведены в таблице 2.1.

      Таблица 2.1 – Влияние среды охлаждения на прокаливаемость сталей 35, 40,45 [3]

 

      Анализ таблицы 2.1 показывает, что необходимую для данной втулки глубину закалённого слоя равную 10 мм можно получить при закалке в воде на всех сталях данной группы. С экономической точки зрения среди этих сталей наиболее дешёвой является Ст 35. Следовательно, учитывая это и то, что все стали данной группы обеспечивают требуемую глубину закаленного слоя, то выбор материала остановим на Ст 35.

      Сведения  по химическому составу и критических точек стали 35 приведены в таблице 2.2.

      Таблица 2.2 - Химический состав и критические точки качественной углеродистой стали 35 [3]

 

      Для подробного определения структур в процессе термической обработки можно воспользоваться изотермической и термокинетической диаграммами для стали 35, которые представлены на рисунке 2.1. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

                                     а                                                   б

Рисунок 2.1 – Влияние скорости охлаждения на структуру стали35 (0,36% С; 0,27% Si; 0,65% Mn; 0,4 Cr; 0,22% Cu; А₁=735 ⁰С; А₃=810 ⁰С; t_ауст=850 ⁰С) [3]

      Из  рисунка следует, что для получения  необходимой структуры (90% мартенсита) на требуемой глубине, необходимо втулку охлаждать со скоростью не менее, чем 120 ^оС/с , так как:

      n_охл = (А_с3 – Т_охл)/t, = (800-500)/2,5 = 120 ^оС/с.

      Для получения такой скорости охлаждения рациональнее всего использовать воду, так как она обеспечит и достаточную прокаливаемость (5 мм), [3] и является наиболее экономичной средой. При этом согласно рисунку 3.1 средняя скорость охлаждения должна быть n_охл не менее 120 ^оС/с.

      Чтобы уменьшить возникшие после закалки напряжения и придать втулке требуемые свойства, её подвергают высокому отпуску. На рисунке 2.2 показано влияние температуры отпуска на свойства изделий из стали 45.

 

      

 

      Рисунок 3.2 – Зависимости свойств Ст 35 от температуры отпуска (в интервале 400- 600 ^оС) для сечения ≤ 20 мм [3]

      Из  представленных рисунков видно, что  наиболее приемлемой температурой отпуска придания необходимых свойств стали 35 является            500-510 ^оС.

      3 РАЗРАБОТКА ТЕХНОЛОГИИ ТЕРМИЧЕСКОЙ  ОБРАБОТКИ ВТУЛКИ 

      Для обеспечения заданного уровня свойств  втулки из стали 45 необходимо разработать термическую обработку. Для придания необходимых свойств и получения необходимой структуры на требуемой глубине она будет подвергаться закалке и высокому отпуску. Предлагаемый режим термической обработки представлен на рисунке 3.1.  
 
 
 
 
 
 
 
 

      Рисунок 3.1 – Режим термической обработки  втулки 

      В начале втулка подвергается закалке  в воде при t_зак= 840-870 ^оС при это время выдержки составит 2 мин. Необходимые параметры для термической обработки представлены ниже.

      Время нагрева рассчитаем по формуле А. П. Гуляева [2];

      τ_н=0,1*К₁* К₁* К₂*К₃*Д₁, мин

где К₁=2 – коэффициент формы изделия, для цилиндрического изделия;

      К₂=2 – коэффициент среды, для нагрева в газовой среде;

      К₃=1,3 – коэффициент равномерности изделия, для нагрева большого количества втулок с помощью приспособления, находящихся на расстоянии примерно 2d (схема укладки печь изображена на    рисунке 3.2);

      Д₁=10 мм – минимальный размер максимального сечения изделия.

      Таким образом, τ_н=0,1*2*2*1,3*10 = 5,2 мин.

      Так как втулка будет нагреваться  в печи с приспособлением, то необходимо учесть и время нагрева на приспособление, по формуле:

      τ_пр=(0,2÷0,3)*τ_н ,

где τ_пр - время нагрева на приспособление;

      τ_н - время нагрева без приспособления [2].

      Тогда общее время нагрева будет  определяться как:

      τ_{н об}= 1,25*τ_н = 1,25*5,2 = 6,5 ≈ 7 мин. 
 
 
 
 
 
 
 

      Рисунок 3.2 – Схема укладки втулок в печь