Анализируя стали 18ХГТ, 25ХГТ, 30ХГТ можно сказать, что механические свойства этих сталей очень похожи, что следует из таблицы 1.3. Как видно из таблицы 1.2. температура критических точек также мало отличается. А из таблицы 1.4. можно сказать, что у сталей 18ХГТ и 30ХГТ одинаковые технологические свойства.
Сделав выводы, можно сказать, что стали по всем требованиям подходят для данной детали. Но так как содержание углерода больше 0.1 – 0.18% улучшает обрабатываемость резаньем и имеет важное значение, то подходят стали 25ХГТ и 30ХГТ. Так как стали различаются только содержанием углерода, то возьмём сталь 25ХГТ, она полностью удовлетворяет требованиям эксплуатации зубчатых колёс коробки передач.
1.4 Разработка технологического процесса
1.4.1 Маршрутная технология изготовления деталей
Детали из стали 25ХГТ поступают на завод в виде сортового проката, следовательно, способ изготовления деталей следующий:
1) Порезка сортового проката на заготовки.
2) Нагрев и объемная штамповка.
3) Механическая обработка.
4) Окончательная термическая обработка.
5) Установка в узел.
1. Заготовка по форме и размерам должна приближаться к форме и размерам готовой детали.
2. Для сокращения расхода металла, увеличение прочности заготовки, точности и отсутствия заусенцев и облоя новаторы производства освоили безоблойную штамповку в закрытых штампах. Сущность безоблойной штамповки заключается в применении закрытых штампов, исключающих допускаемые отклонения по массе составляют не более 5%. Такой штамповкой изготавливаются такие детали как зубчатые колеса, фланцы и другие круглые детали.
3. Под механической обработкой подразумевается вырезание отверстия и на резание зубьев. Это делается на фрезерных станках.
4. Зубчатая шестерня заднего колеса велосипеда после механической обработки, термически обрабатывается, т. е. производится цементация, закалка и низкий отпуск.
5. Сборкой называют процесс соединения машин в узлы, механизмы и машины. Соединение деталей производится в определенной последовательности, обеспечивающий требуемое количество работы механизма и удобство их эксплуатации.
1.4.2 Выбор и обоснование технологического процесса
При выборе технологических процессов термической обработки следует обратить внимание на технико-экономические показатели. Нужно выбрать наиболее рациональные способы термической обработки, обеспечивающие получение высоких свойств изделия и одновременно упрочняющих, сокращающих или удешевляющих процессы термической обработки.
Следует руководствоваться следующими прогрессивными направлениями:
1) Использование остаточной теплоты от предыдущей операции, например теплоты операций горячего формообразования (ковка, штамповка, литье, прокатка, сварка и др.) для операций последующей термообработки (отжиг, нормализация, закалка).
2) Применение скоростных методов нагрева на основе:
создание большого перепада температур между нагреваемым устройством изделиям;
концентрации значительного количества электроэнергии в нагреваемом металле (например, индукционный нагрев в поле токов высокой частоты).
3) Преемственность операций структурного изменения с использованием тепла таких операций как например, цементация и нитроцементация, для непосредственной, прерывной закалки, самоотпуска и т. д.
4) Использование повышенных температур нагрева для ускорения операций структурного превращения и диффузионных процессов.
5) Применение специальных мероприятий для уменьшения деформаций на заключительных стадиях термической обработки:
применение предварительной термической обработки (нормализации, отжига и др.) при температурах, немного превышающих температуру завершающей обработки (цементации и т.п.);
охлаждение при закалке в горячей изотермической среде (нагретое масло, расплавы щелочей селитры или щелочей и другие);
охлаждение нагретых изделий сложной конфигурации в зажимных приспособлениях (штампы, валки и др.).
6) Интенсификация процессов с помощью воздействия активизаторов, например:
ультразвука для охлаждения (при закалке) и очистке поверхностных загрязнений;
магнитного поля для охлаждения при отпуске.
7) Применение сред нагрева и охлаждения, предотвращающих окисление и обезуглероживание:
газовые искусственные атмосферы и вакуум:
расплавы солей и щелочей;
псевдосжиженный слой из твердых сыпучих частиц (корунд и др.) с продувкой газами.
8) Замена трудоемких процессов химико-термической обработки скоростной закалкой.
9)Применение комбинированной обработки (высокотемпературная термомеханическая обработка и др.).
Как уже говорилось в п. 1.2 для зубчатого колеса необходимо иметь твердую поверхность и вязкую сердцевину. Этого можно достичь химико-термической обработкой. Существует несколько способов упрочнения поверхности с помощью ХТО. Это цементация и нитроцементация (цианирование).
При цементации происходит поверхностное насыщение стали углеродом, в результате чего получается высокоуглеродистый поверхностный слой. Так как для цементации берут низкоуглеродистую сталь, то сердцевина остается мягкой и вязкой, несмотря на то, что после цементации сталь подвергается закалке.
Цементация бывает двух видов:
1) Твердая (в карбюризаторе).
2) Газовая (в газовой среде).
Под цианированием понимают, процесс одновременного насыщения стали углеродом и азотом. Т.е. в смеси науглераживающих и азотирующих газов (например, смесь светильного газа и аммиака).
Сравнивая эти два процесса можно сказать, что процесс цианирования протекает быстрее, но слой, который можно достичь меньше и температура нагрева больше, чем у цементации. Тн. циан. = 930 ºС, Тн. цем. = 860 ºС. Существенным недостатком цианирования является то, что при этом используются цианистые соли являющие ядовитыми.
Таким образом, можно сказать, что для стали 25ХГТ наиболее эффективной и экономически выгодной химико-термической обработкой является газовая цементация, т.к. оборудование для цементации более простое и не используются ядовитые вещества.
1.4.3 Описание операций технологического процесса
Чтобы достичь нужных нам свойств зубчатой шестерни заднего колеса велосипеда необходимо провести следующую термическую обработку:
1) Газовая цементация.
2) Непосредственная закалка после подстуживания.
3) Мойка.
4) Низкий отпуск
1.4.3.1 Цементация
Газовая цементация осуществляется в стационарных (непрерывно-действующих) печах. Цементирующий газ приготавливают отдельно и подают в цементационную реторту.
При газовой цементации происходит три процесса:
1) Диссоциация - состоит в распаде активных атомов диффундирующего элемента.
2) Абсорбция - происходит на границе газ - металл и состоит в поглощении (растворении) поверхностью свободных атомов.
3) Диффузия - состоит в проникновении насыщающего элемента вглубь.
Цементирующими газами являются окись углерода и газообразные углеводороды. Разложение этих соединений приводит к образованию активного атомарного углерода:
| 2CO → CO2 + C | (1) |
| CnH2n → 2nH + nC | (2) |
| CnH2n + 2 → (2n + 2) H + nC | (3) |
Как видно из приведенных выше реакций (1) и (2), в результате распада углеводородных соединений образуется свободный углерод. Если поверхность стали не поглощает весь выделяющийся углерод (абсорбция отстает от диссоциации), то свободный углерод, кристаллизуясь из газовой фазы, откладывается в виде плотной пленки сажи на детали, затрудняя процесс цементации.
Поэтому для рационального ведения процесса газовой цементации нужно иметь газ определенного состава и регламентировать его расход.
Таким образом, при температуре цементации мы получаем аустенит переменной концентрации от 1,2 - 1,3 %С (при температуре процесса 860 ˚С) до 0,1 - 0,15 %С. При охлаждении от цементации до нормальной произойдет превращение в соответствии с содержанием углерода в данном слое.
Поверхностная зона, в которой углерода 0,8 - 0,9% имеет структуру перлит + цементит, затем следует зона с содержанием углерода около 0,8%, после следует зона с содержанием углерода менее 0,7% плавно переходящая в структуру сердцевины.
Содержание углерода в наружном слое не должно превышать1,1-1,2% т. к. большое содержание углерода приводит к образованию вторичного цементита, который повышает хрупкость.
Задача цементации - обеспечить высокую поверхностную твердость и износоустойчивость при вязкой сердцевине - не решается одной цементацией. Окончательно формируют свойства последующей закалкой. В нашем случае закалку можно проводит сразу после цементации. С целью уменьшения деформации и коробления колёс их закалку проводят в горячем масле (180˚С).
1.4.3.2 Закалка
При закалке сталь нагревается выше критической температуры (Ас3) и затем охлаждается со скоростью, равной или выше критической, необходимой для получения неравновесной структуры - мартенсита закалки.
Наиболее ответственной операцией при закалке является охлаждение. Критическая скорость закалки Vn для данной стали определяется по С-образной диаграмме состояния.
При больших скоростях охлаждения при закалке возникают внутренние напряжения, которые могут привести к короблению или растрескиванию детали. Поэтому нужно иметь ясное представление о механизме образования внутренних напряжений. Причинами внутренних напряжений являются различные температуры по сечению изделия. Такие напряжения называются термическими. Еще образуются фазовые напряжения, для снижения которых нужно правильно выбрать среду охлаждения.
Для закалки мелких деталей сечением до 5 мм из углеродистых сталей и деталей большого диаметра из легких сталей в качестве закалочной среды применяют масло. Для более крупных, но простых по форме деталей из углеродистых сталей применяют воду.