Курсовая работа: Проект участка химико-термической обработки

Курсовая работа: Проект участка химико-термической обработки

Министерство образования и науки Украины

Национальный политехнический университет

Харьковский политехнический институт

РАСЧЕТНО-ПОЯСНИТЕЛЬНАЯ ЗАПИСКА К КУРСОВОМУ ПРОЕКТУ

на тему «Проект участка химико-термической обработки»

Харьков 2006 г.

РЕФЕРАТ

Настоящая научно-исследовательская работа содержит 53 страниц, 9 рисунков, 6 таблиц, 7 используемых источников литературы, 3 схемы, графическую часть, состоящую из 2 чертежей и 1 плаката.

СТАЛЬ СТРУКТУРА СВОЙСТВА ЗУБЧАТОЕ КОЛЕСО ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ ПРОЦЕСС АВТОМАТИЗАЦИЯ МЕХАНИЗАЦИЯ ХИМИКО-ТЕРМИЧЕСКАЯ ОБРАБОТКА

Целью проекта является проектирование участка химико-термической обработки зубчатых колёс коробки передач с раздаточной коробкой.

Произведен анализ нагружения детали, структура детали.

Выбрана марка стали и разработан технологический процесс термообработки. Проведен расчет температурно-временных параметров процесса, а также основного, вспомогательного и дополнительного оборудования, производственной программы, предложены средства механизации и автоматизации процесса. Рассчитаны площади и спроектирована планировка участка и печей СШЦМ-6.12/10 и СШО-6.12/3.

В работе содержится графическая часть, включающая планировку участка, термического оборудования, схема технологической карты и маршрутная технология.

ВВЕДЕНИЕ

Одной из основных задач в машиностроении является широкое технологическое нерациональное производство насосов и другой техники используемой в промышленности. Для полного обеспечения в промышленности необходимо повысить количество высокоэффективной техники.

Большое значение для ее расширения имеет проблема повышения долговечности деталей поршней и другой техники, и расхода запаса частей.

Существующее производство имеет ряд недостатков, поэтому требуется введение новых процессов. Широкое применение термообработки в машиностроении обусловлено возможностью эффективного повышения качества надежности машин и входящих в них механизмов, увеличение срока службы и повышение технологических характеристик, что приведет к улучшению качества работ на таких машинах. Поэтому дальнейшее совершенствование и реконструкция термических цехов - главная задача, которую необходимо решить в ближайшее время. В основе термической обработки лежат процессы нагрева и охлаждения, поэтому нагревательные и охлаждающие устройства составляют основу оборудования термических цехов. Применение автоматизированных печей, поточных линий и агрегатов позволяет повысить эффективность производства, производительность труда, достигнуть стабильности выполнения термических процессов, сократить количество рабочих и необходимых площадей, упростить планирование производства.

Непрерывное совершенствование термических процессов, оборудования и внедрения наиболее прогрессивных методов производства - характерные черты современной промышленности.

1. ПРОЕКТИРОВАНИЕ ТЕХНОЛОГИИ ХИМИКО-ТЕРМИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКИ

1.1 Анализ нагружения деталей и требования к ним

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

Зубчатое колесо коробки передач с раздаточной коробкой, испытывает циклические нагрузки и трение при движении. При трении сопряжённых поверхностей имеет место износ поверхности, который является сложным процессом. При работе испытывает циклический изгиб и контактное напряжение.

Следовательно, для данной детали требуется предел выносливости, высокая контактная и усталостная прочность, прочность при изгибе, ударе и износостойкость зуба, твердость поверхности, обеспечивающие надежность и длительность в эксплуатации данного зубчатого колеса в соответствующем узле.

1.2 Структура деталей

В машиностроении потребляется около 40% от производства в стране стали и по числу марок машиностроительной стали, являются многочисленными. Они используются в зависимости от вида деталей, их назначения и условий эксплуатации.

Для зубчатых колес, втулок, обойм, гильз, дисков, плунжеров, рычагов и других деталей, к которым предъявляются требования высокой поверхностной твердости при невысокой прочности сердцевины, применяются следующие марки сталей: 20Х, 12ХНЗА,12Х2Н4А, 25ХГМ, 20ХН2М, 18ХГТ, 25ХГТ, 30ХГТ, 20ХГР.

Заготовка попадает на завод в нетермообработанном виде со структурой феррит + перлит, то есть изготовлена из стали 25ХГТ, подходящей для деталей в условиях ее эксплуатации.

Для зубчатого колеса необходимо получение высокой твердости HRC 59 - 63 единицы, прочности, износостойкости поверхностного слоя в сочетании с пластичной сердцевиной самого изделия, что достигается с помощью химико-термической обработки.

После обработки зубчатое колесо должно иметь следующую структуру:

-     поверхностный слой - Мзак + карбиды + Аост.

-     Сердцевина - бейнитная.

1.3 Выбор марки стали и ее описание

Зубчатое колесо должно обладать высокой твердостью на поверхности и невысокой прочностью сердцевины. Поэтому в качестве материала для этой детали можно выбрать следующие стали: 18ХГТ, 25ХГТ, 30ХГТ.

Таблица 1.1 - Химический состав сталей

Зубчатые колёса из хромомарганцетитановых сталей подвергают газовой цементации ( при t =920 - 950°C ) с непосредственной закалкой из цементационной печи после предварительного подстуживания до 840 - 860°C. После закалки – отпуск при t = 180 - 200°C

Таблица 1.2 - Температура критических точек сталей, ºС

Таблица 1.3 - Механические свойства сталей

Таблица 1.4 - Технологические свойства

Основными легирующими элементами конструкционной машиностроительной стали, являются: хром, никель, молибден, вольфрам, титан, алюминий, марганец, кремний, бор.

Роль легирующих элементов и в цементуемой стали заключается прежде всего в том, что уменьшают критическую скорость охлаждения и повышают прокаливаемость. В следствии этого детали могут закаливаться в масле или на воздухе, что способствует уменьшению деформации и короблению при закалке, понижает опасность образования трещин и остаточных напряжений в переходном слое.

В следствии влияния на прокаливаемость, а также в других направлениях легирующие элементы повышают прочность сердцевины.

Прочность сердцевины, в том числе её усталостная прочность, может быть значительно повышена за счёт более высокого содержания в стали углерода, при этом наблюдается некоторое падение вязкости.

Введение в сталь до 0,25 – 0,30%С улучшает также е обрабатываемость резаньем против стали, содержащей 0,1 – 0,18%С, это имеет важное значение, так как многие из легирующих элементов ухудшают обрабатываемость резаньем.

В стали 25ХГТ присутствуют титан, марганец, хром, являющиеся легирующими элементами, а также фосфор, сера, медь и никель ― вредными примесями.

Вредные примеси в стали находятся в малом количестве и поэтому не сильно влияют на свойства стали.

Главным легирующими элементами является хром. Он повышает механические свойства, стали при статической и ударной нагрузке, повышает прокаливаемость и стойкость на истирание.

Марганец ― образует с углеродом карбиды, что способствует повышению твердости поверхности и прочности и затрудняет рост зерна. Также он уменьшает склонность к образованию в цементированном слое анормальной структуры.

Титан ― является раскислителем азота, благодаря чему сталь получается более плотной и однородной, и повышается жаропрочность.

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:

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 превышать 1,1-1,2% 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.

Таким образом, можно сказать, что для зубчатого колеса из хромомарганцетитановой стали 25ХГТ, в качестве охлаждающей среды применяют масло, т. к. масло уменьшает брак от трещин.

1.4.3.3 Отпуск

После закалки необходимо провести отпуск, он является заключительной операцией термической обработки.

Отпуском стали называется нагрев стали ниже критической точки Ас1. При этом происходит превращение, уменьшающее степень неравновесности структуры незакаленной стали. Уменьшаются внутренние напряжения, возникающие в процессе закалки, повышается вязкость и пластичность.

Низкий отпуск проводят с нагревом до 150 - 200 ºС. При этом несколько снижаются внутренние напряжения, а твердость остается высокой.

1.4.4 Расчет и описание температурно-временных параметров технологических процессов

Все операции термической и химико-термической обработки характеризуются следующими параметрами

1.                  температурой нагрева;

2.                  средой нагрева;

3.                  общим временем операции;

4.                  средой охлаждения.

1.   Температура нагрева детали определяется положением критических точек А1 и А3 и с учетом кинетики перехода структурных составляющих в твердый раствор и его распад, а также способа проведения операции.

а) Температура нагрева для нитроцементации выбирается в интервале температур от 840 - 870 ºС. В нашем случае (в соответствии с литературными данными) температура нитроцементации от 840 до 870 ºС. Выбираем 860 ºС.

б) Температура нагрева под закалку должна быть выше критической Ас1 на 30 - 50 ºС. Для стали 25 ХГТ Ас1 = 763 ºС, таким образом температура нагрева под закалку:

Тн = Ас1 + 50 = 763 + 50 = 813 ºС.

в) Температура нагрева для отпуска выбирается в зависимости от остаточных напряжений (по графику).

Выбираем температуру отпуска 180 ºС.

2.   Выбор нагревающей среды производиться с учетом желательности применения газовых искусственных атмосфер для нагрева без окисления и обезуглероживания.

а) В качестве источника углерода при ХТО используют природный газ. При нитроцементации в печь подается 90 - 94% эндогаза и 6-10 %СНu

б) Так как деталь перед химико-термической обработкой подвергалась термической обработке, то закалку следует проводить в защитной атмосфере, а т. к. закалка проходит непосредственно с цементационного нагрева, то целесообразно применять в качестве защитной атмосферы- эндогаз.

в) Отпуск проводится в защитной атмосфере

3.         Выбор среды (скорости) охлаждения определяется:

·                 химическим составом стали,

·                 видом термической обработки;

·                 необходимой конечной структурой;

·                 кинетикой распада твердого распада;

·                 размерами сечений,

·                 конфигурацией изделия;

·                 свойствами охлаждающей среды.

а) В соответствии с выше сказанным

τобщ = τн + τвыд

гдеτобщ - общее время нагрева, ч.;

τн - время нагрева до температуры операции, мин.;

τвыд - время выдержки для завершения структурных или диффузионных превращений, мин.

τн = К1 К2 W

где К1 - коэффициент нагреваемой среды, мин/см; К2 - коэффициент равномерности нагрева; W - геометрический показатель изделия, см.

Для закалки принимаем

К1 = 40 мин/см.

К2 = 1,4

Геометрический показатель изделия рассчитывается по следующей формуле:

W = [(Д - d) x L ]_ [4L +2/ (Д - d)]

где Д - наружный диаметр колеса, см., Д = 11,3 м;

d - внутренний диаметр колеса, см., d = 3,5 см;

L - длина нагреваемой части, см., L = 5,3 см.

W = [(11,3 – 3,5) x 5,3 ] = 1,12 см.

[4 х 5,3+2 х (11,3 – 3,5)]

τн = 40 х 1,4 х 1,12 = 62 мин.

Принимаем 62 мин = 1,03 часа.

Время выдержки рассчитывается по следующей формуле:

τвыд = hсл. ср_ V

где τвыд - время выдержки, ч.;

hср. сл. - средняя толщина нитроцементированного слоя; hср. сл. = 1,2 мм.;

V - скорость процесса цементации, мм/час, V = 0,115 мм/час.

τвыд = 1,2 = 10,43 0,115

τобщ = τн + τвыд = 10,43 + 1,03 = 11,46 ч.

Принимаем 11,46 ч.~ 12 часов.

Время низкого отпуска принимаем 120 мин.

1.4.5 Разработка и описани