Назначение термической и химико-термической обработки для детали «ступица шестерни»

При введении новой детали на производство, необходимо составить для нее технологические карты термической (химико-термической) обработки, механической обработки и выбрать способ получения заготовки. В данной работе произведено назначение режимов термической (химико-термической) обработки для детали «Ступица шестерни». В качестве материала выбрана сталь 18ХГТ. По требованиям заказчика, деталь должна обладать заданным комплексом механических свойств: твердость шлицев 55–60 HRC на глубину h = 0,8–1,2 мм; предел прочности (σ _в ) не менее 850 МПа; ударная вязкость (KCU) не менее 0,75 МДж/м ² .

Ключевые слова: химико-термическая обработка, цементация, ступица шестерни.

Для длительной эксплуатации детали необходимо верно назначить режимы термической (химико-термической) обработки. От назначения термической обработки зависит комплекс механических свойств детали, а также срок службы. К примеру, деталь «Ступица шестерни» должна обладать твердостью шлицев 55–60 HRC на глубину h = 0,8–1,2 мм; пределом прочности (σ _в ) не менее 850 МПа; а также ударной вязкостью (KCU) не менее 0,75 МДж/м ² . Для того, чтобы правильно назначить режимы термический (химико-термической) обработки и не получить на контроле термической обработки деталь ненадлежащего качества, необходимо ознакомиться с некоторыми аспектами материаловедения. Для начала, нужно понять, что в целом представляет собой термическая обработка. Термическая обработка — это совокупность операций нагрева, выдержки и охлаждения твердых сплавов на металлической основе. Проводится для изменения внутреннего строения и структуры сплавов, с целью получения комплекса заданных свойств [1]. Цементация (науглероживание) является операцией химико-термической обработки, заключающаяся в диффузионном насыщении верхнего слоя заготовки углеродом при нагреве (900–950 ℃) в углеродосодержащей среде (то есть — карбюризаторе) [2]. Отпуск стали представляет собой операцию термической обработки, заключающуюся в нагреве закаленной стали до температур ниже линии А ₁ , выдержке при этой температуре и последующем медленном охлаждении, с целью получения равновесной структуры и заданного комплекса механических свойств [1]. Существует три разновидности отпуска: низкий, средний и высокий. В данной работе используется низкий отпуск. Низкий отпуск представляет собой процесс термической обработки закаленной стали для снижения внутренних напряжений без заметного снижения твердости и хрупкости [1].

После проведения термической обработки, необходимо провести контроль качества термической обработки. Контроль твердости шлицев, предела прочности и ударной вязкости.

Для получения высокой твердости поверхности шлицев, ступицу целеобразно подвергать цементации. Для получения заданного комплекса механических свойств, решено провести газовую цементацию. Существет два вида газовой цементации: одноступенчатый и двухступенчатый процессы. Двухступенчатый процесс в отличие от одноступенчатого значительно сокращает время цементации, увеличивая толщину насыщения поверхности заготовки углеродом в 1,65–1,8 раза, а также обеспечивает лучшее распределение углерода по всей толщине слоя [2]. Суть двухступенчатой цементации заключается в том, что в течение первой 1/3 времени выдержки производится интенсивная подача эндогаза и природного газа (неглубокий слой с содержанием углерода 1,2–1,3 %). Далее подается только эндогаз. В результате концентрация углерода в поверхности снижается до 0,8 % [2].

Чтобы при цементации не происходил рост зерна в структуре стали, температура должна быть не более 900–950 ℃ [2]. Время нагрева и выдержки заготовок в печи рассчитано по соответствующим формулам. Режимы химико-термической обработки детали «Ступица шестерни» из стали 18ХГТ представлены в таблице 1.

Таблица 1

Режимы двухступенчатой цементации детали «Ступица шестерни» изготовленной из стали 18ХГТ

После непосредственной закалки с подстуживанием проводится низкий отпуск [2].

Время нагрева и выдержки при отпуске рассчитывается исходя из конфигурации и максимального диаметра детали по соответствующим формулам. Режимы термической обработки детали «Ступица шестерни» из стали 18ХГТ представлены в таблице 2.

Режимы низкого отпуска детали «Ступица шестерни», изготовленной из стали 18ХГТ

В ходе проведения работы, получены результаты и сформирован технологический процесс термической обработки детали «Ступица шестерни» из стали 18ХГТ, который представлен в таблице 3.

Таблица 3

Технологический процесс термической и химико-термической обработки детали «Ступица шестерни», изготовленной из стали 18ХГТ

После проведения термической обработки, необходимо провести контроль качества термической обработки. Твердость шлицев равна 57 HRC на глубину 0,8 мм; предел прочности (σ _в ) равен 856 МПа; ударная вязкость (KCU) равна 0,78 МДж/м ² .

В результате работы выявлено, что разработанный технологический процесс термической обработки верен, может применяться на производстве и полностью удовлетворяет техническим требованиям заказчика. Все полученные механические свойства детали входят в интервал заданных. Твердость шлицев равна 57 HRC на глубину 0,8 мм (задано: 55–60 HRC на глубину 0,8–1,2 мм); предел прочности (σ _в ) равен 856 МПа (задано: не менее 850 МПа); ударная вязкость (KCU) равна 0,78 МДж/м ² (задано: не менее 0,75 МДж/м ² ).

Литература:

1. Самохоцкий, А. И. Технология термической обработки металлов / А. И. Самоходский, Н. Г. Парфеновская. — 2-е изд. — Москва: «Машиностроение», 1976. — 311 с. — Текст непосредственный.
2. Лахтин, Ю. М. Химико-термическая обработка металлов / Ю. М. Лахтин. — Москва: Металлургия, 1985. — 256 с. — Текст непосредственный.