147695 (Технологический процесс обработки шестерен из стали 12ХН3А), страница 2

Цементация с непосредственной закалкой имеет ряд преимуществ: уменьшается, а в ряде случаев полностью устраняется образование окалины и обезуглероживание, повышается производительность и снижаются затраты на обработку, появляется возможность совмещения всего цикла обработки в одном агрегате с полной механизацией и автоматизацией всех операций. Недостатками такого процесса являются повышенная деформация деталей и увеличение количества остаточного аустенита в стали. Частично эти недостатки устраняются подстуживанием различных температурах процесса деталей перед закалкой. В зависимости от марки стали температура подстуживания может быть в пределах 780 – 840 °С. Следует иметь в виду, что подстуживание перед закалкой на воздухе или в печи без защитной среды вызывает поверхностное обезуглероживание, вследствие чего снижается прочность деталей на 20 – 30%.

Для уменьшения коробления деталей при закалке с цементационного нагрева в практике отечественных и зарубежных заводов стали применять цементацию с непосредственной закалкой в горячем масле. Детали охлаждаются в масле до температуры 150 – 200 °С, а последующее охлаждение до обычной температуры происходит на воздухе или в баке с холодным маслом.

1.3 Оборудование для цементации

Для цементации, закалки и низкого отпуска небольших партий шестерен, валов, колец и т.п. в среде защитного газа применяют камерные универсальные печи, объединенные в единую конструкцию.

Камерная универсальная электропечь СНЦ‑5.10. 3,2/10 изображена на рис. 6

Технические характеристики печи:

Мощность печи – 80 кВт;

Масса единовременной загрузки – 400 кг;

Масса садки нетто – 300 кг;

Расход газа – 12–15 м /ч;

Размеры садки 500х1000х320 мм;

Масса агрегата 13 т;

Рисунок 5 – Механизированная электропечь:

1 – нагревательная камера; 2 – закалочная камера; 3 – подъемный столик; 4 – вентилятор; 5 – нагреватели; 6 – цепной механизм для передвижения поддона с деталями

1.4 Загрузка печи и ведение процесса цементации

Электропечь состоит из камеры нагрева, тамбура с закалочным масляным баков в едином каркасе, щитов управления и механизма загрузки и разгрузки. В тамбуре печи и в камере нагрева установлены вентиляторы для обеспечения циркуляции атмосферы печи.

Нагревательную и закалочную камеру можно заполнять защитной атмосферой, предохраняющей закаливаемые детали от окисления и обезуглероживания. С помощью цепного механизма 6 корзину с деталями по направляющим роликам перемещают в нагревательную камеру 1. После нагревания и выдержки тем же цепным механизмом корзину перемещают в закалочную камеру 2 и вместе со столиком 3 погружают в закалочную жидкость (масло). После охлаждения столик поднимается пневмомеханизмом, и корзину выгружается из печи. Детали нагреваются в результате излучения электронагревателей 5 и конвективного теплообмена. Вентиляторы 4, установленные в нагревательной камере и в закалочном баке, предназначены для интенсификации теплообмена и равномерного нагрева и охлаждения деталей.

В данной механизированой электропечи проводят весь цикл термической обработки деталей, например, закалку и отпуск, а также цементацию.

1.5 Очистка от окалины

Для очистки стальных поковок, у которых не допускается упрочнение поверхности, применяют мокрую пескоструйную очистку (рис. 5). Поковки очищают внутри камеры на поворотном столе загрузочной тележки пистолетом, из которого под действием сжатого воздуха выбрасывается смесь песка и воды (пульпа). Для удаления водяной пыли вверху камеры предусмотрены отверстия для вытяжной трубы вентиляционной системы. Загрузочная тележка состоит из платформы, станины, двух пар колес и поворотного стола с катками. Передвижение тележки и вращение стола производится вручную. Катки и колеса установлены на шариковых подшипниках и надежно защищены от попадания воды и песка.

Рисунок 6 – Гидропескоструйная установка

1 – камера; 2 – дверца с резиновой занавеской; 3 – ручка управления клапаном; 4 – фонарь; 5 – пульт управления; в-поворотный стол; 7 – пистолет; 8 – смеситель; 9 – настил из металлических листов; 10 – лестница; 11 – отстойник; 12 – насос для пульпы; 13 – трубопровод; 14 – привод смесителя; 15 – вытяжная труба.

Термическая обработка после цементации. Для получения заданного комплекса механических свойств после цементации необходима дополнительная термическая обработка деталей.

В зависимости от условий работы, а также от выбранной для изготовления детали стали режим упрочняющей термической обработки может быть различен. Для тяжелонагруженных трущихся деталей машин, испытывающих в условиях работы динамическое нагружение, в результате термической обработки нужно получить не только высокую поверхностную твердость, но и высокую прочность (например, для зубчатых колес-высокую прочность на изгиб) и высокую ударную вязкость. Для обеспечения указанных свойств требуется получить мелкое зерно как на поверхности детали, так и в сердцевине. В таких ответственных случаях цементованные детали подвергают сложной термической обработке, состоящей из двух последовательно проводимых закалок и низкого отпуска.

При первой закалке деталь нагревают до температуры на 30–50 °С выше температуры Ас з цементируемой стали. При таком нагреве во всем объеме детали установится аустенитное состояние (рис. 7). Нагрев до температур, лишь немного превышающих Ас3, вызывает перекристаллизацию сердцевины детали с образованием мелкого аустенитного зерна, что обеспечит мелкозернистость продуктов распада. При температуре t3, как видно на рис. 7, весь диффузионный слой переходит в аустенитное состояние, поэтому, чтобы предотвратить выделение цементита, проводят закалку.

При второй закалке деталь нагревают до температуры t_3]I с превышением на 30–50 °С температуры Ac_t (рис. 7). В процессе нагрева мартенсит, полученный в результате первой закалки, отпускается, что сопровождается образованием глобулярных карбидов, которые в определенном количестве сохраняются после неполной закалки в поверхностной заэвтектоидной части слоя, увеличивая его твердость. Вторая закалка обеспечивает также мелкое зерно в науглероженном слое.

Окончательной операцией термической обработки является низкий отпуск при 160–200 °С, уменьшающий остаточные напряжения и не снижающий твердость стали (рис. 7).

Рисунок 7‑Режим термической обработки ответственных деталей машин после цементации (схема): / – цементация; II – двойная закалка; /// – низкий отпуск

После двойной закалки и низкого отпуска поверхностный слой приобретает структуру отпущенного мартенсита с включениями глобулярных карбидов. Структура сердцевины детали зависит от легированности стали. Так как цементировалась легированная сталь, то в зависимости от количества легирующих элементов сердцевина может приобрести структуру бейнита или низкоуглеродистого мартенсита. Во всех случаях из-за низкого содержания углерода будет обеспечена достаточно высокая ударная вязкость.

2. Термическая обработка после цементации

Для получения заданного комплекса механических свойств после цементации необходима дополнительная термическая обработка деталей.

В зависимости от условий работы, а также от выбранной для изготовления детали стали режим упрочняющей термической обработки может быть различен. Для тяжелонагруженных трущихся деталей машин, испытывающих в условиях работы динамическое нагружение, в результате термической обработки нужно получить не только высокую поверхностную твердость, но и высокую прочность (например, для зубчатых колес – высокую прочность на изгиб) и высокую ударную вязкость. Для обеспечения указанных свойств требуется получить мелкое зерно как на поверхности детали, так и в сердцевине. В таких ответственных случаях цементованные детали подвергают сложной термической обработке, состоящей из двух последовательно проводимых закалок и низкого отпуска.

При первой закалке деталь нагревают до температуры на 30–50 °С выше температуры Ас_Зак цементируемой стали. При таком нагреве во всем объеме детали установится аустенитное состояние (рис. 3). Нагрев до температур, лишь немного превышающих Ас_Зак, вызывает перекристаллизацию сердцевины детали с образованием мелкого аустенитного зерна, что обеспечит мелкозернистость продуктов распада. При температуре t3, как видно на рисунке 3, весь диффузионный слой переходит в аустенитное состояние, поэтому, чтобы предотвратить выделение цементита, проводят закалку.

При второй закалке деталь нагревают до температуры t_Зак2 с превышением на 30–50 °С температуры Ac_t (рис. 3). В процессе нагрева мартенсит, полученный в результате первой закалки, отпускается, что сопровождается образованием глобулярных карбидов, которые в определенном количестве сохраняются после неполной закалки в поверхностной заэвтектоидной части слоя, увеличивая его твердость. Вторая закалка обеспечивает также мелкое зерно в науглероженном слое.

Р исунок 7 – Режим термической обработки ответственных деталей машин после цементации: / – цементация; II – двойная закалка; /// – низкий отпуск

Окончательной операцией термической обработки является низкий отпуск при 160–200° С, уменьшающий остаточные напряжения и не снижающий твердость стали (рис. 7).

После двойной закалки и низкого отпуска поверхностный слой приобретает структуру отпущенного мартенсита с включениями глобулярных карбидов. Структура сердцевины детали зависит от легированности стали. Так как для цементации выбрана легированная сталь, то в зависимости от количества легирующих элементов сердцевина может приобрести структуру бейнита или низкоуглеродистого мартенсита. Во всех случаях из-за низкого содержания углерода будет обеспечена достаточно высокая ударная вязкость.

2.1 Закалка и низкотемпературный отпуск

Деталь охлаждается в закалочной среде (масло) имеющей температуру выше мартенситной точки. При охлаждении и выдержке в этой среде закаливаемая деталь должна приобрести во всех точках сечения температуру закалочного бака. Затем следует окончательное, обычно медленное охлаждение во время которого и происходит формирование структуры, то есть превращение аустенита в мартенсит. Разбивка охлаждения на две ступени уменьшает внутренние напряжения первого рода, поэтому уменьшается и закалочная деформация.

При ступенчатой закалке производится так называемая правка или рихтовка, то есть устранение коробления, вызванного термическими напряжениями при первом быстром охлаждении.

Отпуск – это завершающая операция термической обработки деталей, окончательно формирующая ее свойства.

Главной задачей отпуска является снижение или полное устранение внутренних напряжений, уменьшения хрупкости закаленной стали. Низкотемпературный отпуск заключается в нагреве до температуры ниже 250 °С. Структура после такой обработки состоит из отпущенного малоуглеродистого мартенсита.

Закалку и отпуск проводят в камерной механизированной печи СНЦ‑5.10∙3,2/10 (рис 5).

3. Контроль

3.1 Технологический контроль

Контроль технологического процесса заключается в строгом соблюдении режима цементации и термической обработки, а именно:

1. Контроль температуры (пермопара ТХА).

2. Контроль давления в камере для цементации (монометр МТС‑711).

3. Контроль уровня масла в закалочном баке (ЭИУ стержневой). Возможно запись показаний и передачи на расстояние.

4. Контроль расхода газов и состав атмосферы (газоанализатор ТП‑2220). Данный контроль выполняют 2 раза в неделю при устойчивой работе агрегата.

3.2 Контроль качества изделий

3.2.1 Контроль качества цементованных изделий

При контроле качества цементованных деталей проверяют:

1. Толщину слоя. Ее обычно определяют на образцах – свидетелях, изготовленных из той же стали и подвергнутых цементации и термической обработки по тем же режимам, что и детали. Толщину слоя оценивают по твердости или микроструктуре.

2. Твердость поверхности и сердцевины, а также распределение твердости по слою. Измерение твердости проводят непосредственно в потоке обработке деталей.

3. Микроструктуру проверяют в лаборатории на шлифах, приготовленных из цементованных деталей или образцов – свидетелей. В цементованном слое определяют дисперсность мартенсита, наличие и расположение карбидов, остаточный аустенит и дефекты слоя (сетка цементита, избыточные скопления карбидов, наличие троостита и др.).

Анализируют также структуру сердцевины, при этом основное внимание обращают на наличие феррита и его распределение.

Содержание углерода определяют послойным или спектральным анализом.

3.2.2 Контроль качества закаленных изделий

В процессе производства контролируют:

1. Твердость поверхности (твердомер).

2. Отсутствие трещин (внешний осмотр, дефектоскоп)

3. Деформацию деталей при термической обработке

Данный контроль целесообразно проводить через каждые 1 – 2 часа работы агрегата.