Поверхнева обробка шестерні

Визначення орієнтовного хімічного складу матеріалу

Для орієнтовного визначення хімічного складу матеріалу для шестерні необхідно провести аналіз матеріалів різних класів.

Таким чином, виготовлення шестерні можливо із легованих сталей. Рекомендовані марки сталей наведені в таблиці 2.1 (їхній хімічний склад, властивості і галузь застосування).

Таблиця 2.1-Рекомендовані марки сталей для шестерен

Марка матеріалу	Назва	Хімічний склад, %	Механічні властивості	Технологічні властивості	Термічна обробка	Галузь застосування
sв, МПа	d, %	HRC (НВ)
Сталь 45	Вуглецева конструкційна якісна сталь	С: 0,27 – 0,42				Середня загартованість, низька прогартованість, висока обробляємість різанням	Загартування 850°С вода Відпуск 550°С	Вали, циліндри, кулачки, шпинделі
Mn: 0,25 – 0,36	600 –		270 –
Si: 0,17 – 0,37
Cr: ~ 0,8
Ni: ~ 0,3
Р: ~ 0,035
S: ~ 0,04
40ХН	Легована конструкційна якісна сталь	С: 0,36 – 0,44				Середня загартованість, висока прогартованість, середня обробляємість різанням	нітроцементація 870°С масло Відпуск 200°С	Високонапружені вали, вал-шестерні ,зубчасті колеса
Si: 0,17 – 0,37
Mn: 0,5 – 0.8
Cr: 0.45 – 0.75
Р: ~ 0,035
S: ~ 0,035
Ni: ~ 1-1.4

З умов роботи шестерні витікають вимоги, яким повинен задовольняти матеріал. На основі цих вимог можна визначити ті властивості, які повинні бути характерні для матеріалу, з якого буде виготовлено шестерню. У вітчизняному машинобудуванні для виготовлення шестерні широко застосовується сталь 40ХН, Сталь 45 або сталь 38XА;

Сталі.
Сталями називаються залізовуглецеві сплав, Зміст вуглецю в яких не перевищує 2,14%. Стали із вмістом вуглецю до 0,8% називається доевтектоїдними, 0,8% - евтектоїдними й Більше 0,8% - заевтектоїдними Твердість и міцність сталі можуть бути збільшені в результаті термічної обробки в 3 - 5 разів, а Модулі пружності при цьому змінюються Менш чім на 5%. також Завдяки термічній обробці й відведені легуючих елементів можна підвищити їхню корозійну стійкість.
Основна Вимоги до сталей є забезпечення конструкційної міцності: смороду повинні мати Певний набор механічних властивостей, Що забезпечуються тривалу и надійну роботу матеріалу, мати Гарні технологічні Властивості. Сталі є Досить недорогим матеріалом. Властивості сталей відповідають необхіднім вимоги до готового вироби, и воно Може буті виготовлення з даного матеріалу.
Для виготовлення особливо відповідальних зубчастих передавачів, Що Працюють при ударних навантаженості, використовують леговані сталі марок 40ХН, 45ХН, Сталь 45, та ін.

Чавуни.

Чавунами називаються сплави заліза з вуглецем, що містять вуглецю більше 2,14%. Чавуни, що містять менше 4,3% вуглецю, називаються доевтектичними, що містять 4,3% - евтектичними і більш 4,3% - заевтектичними . Чавун відрізняється від сталі по технологічних властивостях - кращими ливарними якостями, малою здатністю до пластичної деформації. Чавун дешевше сталі . Чавуни мають більш високу твердість, чим сталі через велику наявність цементиту, що одночасно підвищує і його крихкість. Однак, вуглець у цих сплавах може бути присутнім і у вигляді графіту. Залежно від того, у якій формі присутня графіт у сплаві, розрізняють:

- білий чавун, у якому увесь вуглець перебуває у зв'язаному стані у вигляді карбіду;

- сірий чавун, у якому вуглець у значній мірі або повністю перебуває у вільному стані у формі пластинчастого графіту;

- високоміцний чавун, у якому вуглець у значній мірі або повністю перебуває у вільному стані у формі кулястого графіту;

- ковкий чавун, що отримують у результаті відпалу виливків з білого чавуну. У ковкому чавуні весь вуглець або значна частина його перебуває у вільному стані у формі хлоп`євидного графіту.Ще однією перевагою цього класу є більш низька ціна в порівнянні зі сталями. Недоліками чавунів є: більша крихкість, низька пружність. Однак інструмент, який нам необхідно виготовити (кернер), працює в умовах ударних навантажень, тому використання даного матеріалу недоцільно.

Сплави кольорових металів.

До таких сплавів відносять сплави на основі міді, алюмінію, магнію й титану. Основними сплавами на основі міді є латуні й бронзи, які можуть бути леговані оловом, свинцем, кремнієм, алюмінієм і іншими елементами. Більшість сплавів на основі міді добре обробляються різанням, мають високу стійкість проти корозії, обробляються тиском, мають гарні пружні характеристики, підвищують механічні властивості в результаті термічної обробки. Але, проте, ці сплави досить дорогі, іноді крихкі, їх твердість поступається твердості сталей і чавунів.

До сплавів на основі алюмінію відносяться деформуємі алюмінієві сплави, дуралюміни, сплави авіаль, силуміни та інші. Вони мають високу пластичність і корозійну стійкість, добре деформуються в гарячому і холодному стані, зазнають зміцнення термічною обробкою. Але вони, як і сплави на основі міді, характеризуються невисокою міцністю й твердістю, нижче чим у сталей і чавунів .

Сплави на основі магнію відносно стійкі проти корозії лише в сухому середовищі і при підвищенні температури легко окисляться й навіть самозаймаються. Магнієві сплави застосовують в авіаційній промисловості, у машинобудуванні та радіотехнічній промисловості Але для виготовлення кернера ці сплави не придатні через відносно низькі механічні властивості.

Сплави на основі титану мають гарні ливарні властивості. Наявність азоту й кисню підвищує міцність титану, але сильно знижує пластичність. Присутність вуглецю знижує ковкість, погіршує оброблюваність різанням, зварюваність титану. Титан має високу корозійну стійкість в атмосфері, прісній і морській воді, у ряді кислот. Титан добре кується й зварюється Але його механічні властивості поступаються властивостям сталей і чавунів.

3.Остаточний вибір матеріалу шестерні
Додаткова стійкість до корозіруючіх факторів сталь 45ХН набуває Завдяки вмісту хрому. Він також підсилює Такі механічні Властивості сталі 45ХН, Як твердість и міцність.
Під механічними властивостями розуміють характеристики, Що визначаються поведінку металу під впливом Доданих зовнішніх сил. До механічних властивостей відносять Опір матеріалу деформації (міцність) i Опір руйнування (пластичність, в'язкість, а також здатність металу НЕ руйнуватись при наявності тріщин).

Хімічний склад, властивості і застосування обраної сталі

Хімічний склад в % матеріалу 45ХН

ГОСТ 1050 – 88

C

Si

Mn

Ni

S

P

Cr

Cu

0.42 - 0.5

0.17 - 0.37

0.5 - 0.8

до 0.3

до 0.04

до 0.035

до 0.25

до 0.3

Температура критичних точок матеріалу 45ХН.

Ac1 = 730 , Ac3(Acm) = 755 , Ar3(Arcm) = 690, Ar1 = 780,Mn = 350

Для того, щоб запобігти тендітні руйнування деталей, що працюють при динамічних навантаженнях і знижених температурах, необхідно щоб в стале було вміст нікелю, для більш міцності та експлуатації.

Визначення орієнтовного хімічного складу матеріалу 45ХН

Згідно ГОСТ 4543-71 легована сталь 45XН мае такі частки елементів:
Вуглецю: 0,41 - 0,49%
Кремнію: 0,17 - 0,37%
Марганця: 0,50 - 0,80%
Хрому: 0,80 - 1,10%
Фосфору: 0,025-0,035%
Сірки: 0,015 - 0,035%
Мідь: 0,025 - 0,030%
Нікель: 0,030%

Твердість по Бринеллю (НВ) відпаленого або високого відпуску

прокату діаметром або товщина прежде 5 мм повинна відповідати нормам. Для стали 45X:
Діаметр відбитку НЕ Більше 4 мм
Число твердості, HB, не Більше 229

На основі порівняння властивостей чотирьох обраних нами марок сталей можна зробити висновок, що для виготовлення шестерні найбільш оптимальним матеріалом є сталь Сталь 45 тому що вона задовольняе необхідним вимогам і має ряд переваг у порівнянні з іншими:

висока твердість і зносостійкість після термообробки;

висока прогартованість;

достатня усталістна міцність і в’язкість після термообробки;

порівняно з іншими легованими сталями невисока вартість

Тому марка сталі Сталь 45 підходять найбільше.

4. Метод термічної обробки
Термічною обробка називають процес обробки виробів з металів и сплавів шляхом теплового впливу з метою зміни їх структури й властивостей у заданому напрямком.
Загартування - термічна Операція, Що полягає в нагріванні сталі Вище температури перетворення з Наступний Досить швидких охолодженням для здобуття структурно нестійкого стану, Що зветься мартенситом. Температура нагрівання і час витримці повинні буті такими, щоб відбулися необхідні структурні Зміни. Швидкість охолодження повинна буті Досить велика, щоб при зниженні температурі не встигнули пройти зворотні фазові перетворення Відпуск - термічна Операція, Що полягає в нагріванні загартованого сплаву нижче температури перетворення для одержання більш стійкого структурного стану сплаву
Необхідні Властивості сталі можуть бути отримані або зміною йо складу, або зміною Будови сплаву - йо структури. Зміна структури досягається термічною обробка.
Термічна обробка - процес, Що з нагріву стали до певне температур, відповідної витримки и подалі охолодження з Метою Зміни структури и властивостей.
Шестерню будемо виготовляти Зі Сталі 45. Після попередньої механічної обробки, а саме, нарізування зубів, шестерню необхідно загартувати.

Сталь 45 має у своєму складі: від 0,36 до 0,44% вуглецю; 0,17-0,37% кремнію; 0,5 - 0,8% марганцю; від Сірки и Стільки ж фосфору; 0,45 - 0,75% хрому и до 0,3% міді. Вміст Сірки и фосфору (менше 0, 36%) дозволяє зараховувати сталь 45 до якісних легованих сталей.
Загартування сталі 45 зазвичай проводитися в маслі з температурою 820-880С Деталі великогабаритні в рідкісних випадках піддають загартовуванню у воді з подалі негайнім низько відпусткою або з перенесеним в масло. Часто Деталі з сталі 45 гартують при нагріванні високочастотними Струмам и подалі високим відпуском при 550-650.В результаті цієї процедури отримуються скроню Поверхнево твердість (RC = 52-56).
Для того, щоб запобігти тендітні руйнування деталей, що працюють при динамічних навантаженнях і знижених температурах, необхідно щоб в сталі було вміст нікелю, для більш міцності та експлуатації. Тому марка стали 45 підходить найбільше.

Гарт шестерні
Загартування називається Операція термічної обробки, Що складається в нагріванні до температур Вище критичної точки АС3 для доевтектоїдних стали и витримці при даній температурі з Наступним швидких охолодженням (у воді, маслі и т.д.)
В результаті Гарту сталь набуває структуру мартенситу и Завдяки цьому робиться Дуже твердою. Загартування досягається підвищення твердості, міцності и зносостійкості Деталі.
Режими Гарту визначаються швідкістю и температурою нагріву, тривалістю витримці при Цій температурі и особливо швідкістю охолодження. Для даної стали будемо використовувати загартування в одному середовищі.
Для доевтектоїдних сталей 45 нагрів слід вести до температури, Що лежить на 30-50 ° С Вище точки АС3 = 782 ° С, тобто приблизно при температурі 840 ° С. Відхилення по температурі для стали 45X (згідно ГОСТ 4543-71): ± 15 ° С. У цьому випадку сталь має структуру однорідного аустеніту, Який при подалі охолодженні Зі швидкістю, Що перевищує критично швидкість загартування, перетворюється в мартенсит. Таке загартування називається повним.
Правильний Вибір гартівної середовища має велике значення для успішного проведення термічної ОБРОБКИ. Для Гарту даної легованої сталі будемо використовувати в якості охолоджуючої середовища - трансформаторне масло при температурі 18 ° С. Хром зменшує критично швидкість загартування. Швидкість охолодження менше 120 град / сек. Це и виробляти до того, Що більша Частина легованих сталей гартуються на мартенсит в маслі, тобто при меншій швидкості Ніж вуглецеві. Відносна інтенсивність охолодження 0,17.
Сталь 45 Як и будь-яка Інша легована сталь має Більшу прокаливаемостью в порівнянні з вуглецевої. Хром, Як легуючій елемент збільшує кількість залишкового аустеніту в сталі після загартування.
Відпуск:
Температура 520 ° С
Середа охолодження: вода або масло
Межа текучостіsТ, Н/мм2 не менше 835 (85) (кгс/мм2)
Тимчасовий Опірsв, Н/мм2 не менше 1030 (105) (кгс/мм2)
Відносне подовженостіds, не менше 9%
Відносне звуженняy, Не менше 45
Ударна в'язкість KCU, Дж/см2 не менше 49 (5)
Розмір перерізу заготовок для термічної обробки (Діаметр кола), не менше 25 мм
При термічній обробці допускаються Такі відхилення по температурі нагрівання:
при загартуванню .......... ± 15 ° С
при Високому відпустці ...... ± 50 ° С

Поверхнева обробка шестерні

Для поверхневої термообробки виробів часто викорис­товують швидкісне індукційне нагрівання їх СВЧ. Цей вид термообробки дає змогу одержувати підвищені механічні властивості у поверхневому шарі виробів завдяки утво­ренню дрібнозернистої структури з залишковими напру­женнями стиску. Поверхнева термообробка із застосуван­ням СВЧ зменшує деформації в загартованих виробах. До її переваг належать: можливість виконання місцевої тер­мообробки виробів, безшумність, мале окалиноутворення та висока культура виробництва.При поверхневій термообробці СВЧ досягається під­вищення твердості виробів на 6...8 HRC порівняно з гарту­ванням аналогічних виробів у печах. Підвищена твердість пояснюється не особливостями фазових перетворень при індукційному нагріванні сталі, а її охолодженням у мартенситному інтервалі з великими швидкостями, що запо­бігає відпуску мартенситу при гартуванні та фіксує високу масову частку вуглецю у твердому розчині. Дрібне зерно утвореного мартенситу також сприяє підвищенню механіч­них властивостей поверхневого загартованого шару сталі.Схематично принцип дії високочастотної установки для нагрівання виробів відображає рис. 5.2. СВЧ від машин­ного чи лампового генератора (рис. 4.2, а) подається в індуктор 2 через трансформатор 1. Виріб 3 (рис. 4.2, б), який знаходиться в індукторі 2, нагрівається СВЧ і потім охолоджується рідиною (водою або емульсією), що надхо­дить з охолодника (спреєра 4).

Рис. 4.3 – До розгляду принципу дії установки для високочастотного нагрівання виробів

Індуктори (рис. 4.3) — це один або кілька спіральних витків мідної трубки, по якій циркулює охолодна вода. Іноді індуктори сконструйовано так, що нагрівальна час­тина комбінується з охолодним (душовим) обладнанням (спреєром). Його конструкція зумовлюється формою по­верхні та розмірами оброблюваного виробу, оскільки для кожного виробу виготовляють відповідний індуктор. Під час нагрівання між індуктором і виробом має бути промі­жок у межах 1,5...3 мм.Для гартування дрібних виробів на глибину до 2 мм застосовують лампові генератори з частотою 5... 10 кГц, а для гартування великих виробів на глибину понад 3 мм доцільно використовувати машинні генератори з часто­тою 500... 15000 Гц та тиристорні перетворювачі.При нагріванні феромагнітних матеріалів, до яких на­лежать також сталі й чавуни, після досягнення точки Кю­рі (730...770°С) їх відносна магнітна проникність різко спа­дає від 50... 100 до 1; в немагнітних матеріалах вона завжди дорівнює 1. Тому при нагріванні сталей глибина проник­нення магнітного поля індуктора і, відповідно, вихрових струмів після досягнення точки Кюрі різко збільшується, а поглинена потужність зменшується. Отже, до темпера­тур нижче точки Кюрі сталь нагрівається значно швидше та повільніше після її досягнення. Ці властивості процесу нагрівання сталі потрібно враховувати при визначенні ре­жимних параметрів роботи установок, що генерують СВЧ.

Кількість теплоти (Дж), потрібної для нагрівання ста­левого виробу, визначається виразом

Q = I²Rt,

де І — сила струму, A;

R — електричний опір сталі, Ом;

t — тривалість нагрівання, с.

Густина індукованого змінного струму по перерізу ви­робу, що нагрівається, нерівномірна. Струм концентрує­ться в основному на поверхні, а його густина зменшуєть­ся до центра виробу. Частота струму впливає на індуктив­ний опір його внутрішньої частини. Так, струм більш ви­сокої частоти сильніше відтискується від центра до по­верхні виробу. Цю властивість СВЧ концентруватися на поверхні виробу, що нагрівається, називають поверхневим ефектом, або скін-ефектом.Найбільшу густину струму матиме шар на поверхні ви­робу, в якому виділяється приблизно 90% теплової енер­гії. Цей шар називають глибиною d проникнення струму в метал. Вона впливає та товщину тієї частини виробу, яка гартується. Звичайно, густиною струму нижче поверхневого шару можна знехтувати, якщо вона менша приблизно у три рази від густини струму в поверхневому шарі. Глиби­на проникнення струму (см) в метал визначається виразом

де r — питомий електричний опір металу, Омм;

m_r — йо­го відносна магнітна проникність;

f — частота струму, Гц. Глибина проникнення струму залежить від матеріалу, температури виробу, що нагрівається, та частоти струму (табл. 4.1). Із таблиці випливає, що глибина проникнення струму збільшується при підвищенні температури металу і досягає її максимального значення в момент втрати мета­лом магнітних властивостей (вище точки Кюрі). Таку гли­бину проникнення струму, яка відповідає вказаним умо­вам, прийнято називати «гарячою», а при кімнатній тем­пературі — «холодною».

Таблиця 4.1 – Глибина проникнення струму, см

4.ТЕХНОЛОГІЯ ТЕРМІЧНОЇ ОБРОБКИ ЗУБЧАСТОГО КОЛЕСА	Для поверхневої термообробки виробів часто використовують швидкісне індукційне нагрівання їх СВЧ. Цей вид термообробки дає змогу одержувати підвищені механічні властивості у поверхневому шарі виробів завдяки утворенню дрібнозернистої структури з залишковими напруженнями стиску. Поверхнева термообробка із застосуванням СВЧ зменшує деформації в загартованих виробах. До її переваг належать: можливість виконання місцевої термообробки виробів, безшумність, мале окалиноутворення та висока культура виробництва.	При поверхневій термообробці СВЧ досягається підвищення твердості виробів на 6...8 HRC порівняно з гартуванням аналогічних виробів у печах. Підвищена твердість пояснюється не особливостями фазових перетворень при індукційному нагріванні сталі, а її охолодженням у мартенситному інтервалі з великими швидкостями, що запобігає відпуску мартенситу при гартуванні та фіксує високу масову частку вуглецю у твердому розчині. Дрібне зерно утвореного мартенситу також сприяє підвищенню механічних властивостей поверхневого загартованого шару сталі.	Схематично принцип дії високочастотної установки для нагрівання виробів відображає рис. 5.2. СВЧ від машинного чи лампового генератора (рис. 4.2, а) подається в індуктор 2 через трансформатор 1. Виріб 3 (рис. 4.2, б), який знаходиться в індукторі 2, нагрівається СВЧ і потім охолоджується рідиною (водою або емульсією), що надходить з охолодника (спреєра 4).
			Рис. 4.3 – До розгляду принципу дії установки для високочастотного нагрівання виробів
Індуктори (рис. 4.3) — це один або кілька спіральних витків мідної трубки, по якій циркулює охолодна вода. Іноді індуктори сконструйовано так, що нагрівальна частина комбінується з охолодним (душовим) обладнанням (спреєром). Його конструкція зумовлюється формою поверхні та розмірами оброблюваного виробу, оскільки для кожного виробу виготовляють відповідний індуктор. Під час нагрівання між індуктором і виробом має бути промі-жок у межах 1,5...3 мм.	Для гартування дрібних виробів на глибину до 2 мм застосовують лампові генератори з частотою 5... 10 кГц, а для гартування великих виробів на глибину понад 3 мм доцільно використовувати машинні генератори з частотою 500... 15000 Гц та тиристорні перетворювачі.	При нагріванні феромагнітних матеріалів, до яких належать також сталі й чавуни, після досягнення точки Кюрі (730...770С) їх відносна магнітна проникність різко спадає від 50... 100 до 1; в немагнітних матеріалах вона завжди дорівнює 1. Тому при нагріванні сталей глибина проник-нення магнітного поля індуктора і, відповідно, вихрових струмів після досягнення точки Кюрі різко збільшується, а поглинена потужність зменшується. Отже, до температур нижче точки Кюрі сталь нагрівається значно швидше та повільніше після її досягнення. Ці властивості процесу нагрівання сталі потрібно враховувати при визначенні режимних параметрів роботи установок, що генерують СВЧ.	Кількість теплоти (Дж), потрібної для нагрівання сталевого виробу, визначається виразом
Q = I2Rt,	де І — сила струму, A;	R — електричний опір сталі, Ом;	t — тривалість нагрівання, с.
Густина індукованого змінного струму по перерізу виробу, що нагрівається, нерівномірна. Струм концентрується в основному на поверхні, а його густина зменшується до центра виробу. Частота струму впливає на індуктивний опір його внутрішньої частини. Так, струм більш високої частоти сильніше відтискується від центра до поверхні виробу. Цю властивість СВЧ концентруватися на поверхні виробу, що нагрівається, називають поверхневим ефектом, або скін-ефектом.	Найбільшу густину струму матиме шар на поверхні виробу, в якому виділяється приблизно 90% теплової енергії. Цей шар називають глибиною  проникнення струму в метал. Вона впливає та товщину тієї частини виробу, яка гартується. Звичайно, густиною струму нижче поверхневого шару можна знехтувати, якщо вона менша приблизно у три рази від густини струму в поверхневому шарі. Глибина проникнення струму (см) в метал визначається виразом	δ=√(ρ/(μ_r f)) ,	де  — питомий електричний опір металу, Омм;

«Холодна» глибина проникнення струму (мм) набли­жено визначається за формулою:

а «гаряча» — за формулою

Оскільки розподіл теплоти до серцевини виробу відбу­вається за законами теплообміну, рекомендується під час нагрівання виробів дотримуватися такої умови: швидко нагрівати метал до втрати ним магнітних властивостей. Таке нагрівання сприяє збільшенню глибини проникнен­ня струму та швидкому нагріванню шарів, які лежать глиб­ше. При цьому нагрівання шару, розміщеного ближче до поверхні виробу, сповільнюється. Після втрати магнітних властивостей другим шаром металу відбувається швидке нагрівання його третього шару з уповільненим другого і т. д. до прогрівання виробу на певну глибину.

Отже, при такому способі нагрівання виробів СВЧ во­ни прогріваються швидше у зв'язку зі зміною магнітних властивостей металу, а теплопровідність при цьому віді­грає другорядну роль, що ілюструється графіком (рис. 4.5). Із графіка випливає, що швидке нагрівання виробу спо­стерігається при температурах до точки Кюрі, а при більш високих температурах (вище температури втрати магніт­них властивостей металом) швидкість нагрівання виробу сповільнюється.

В умовах, які відповідають «гарячій» глибині проник­нення струму, процес нагрівання виробу відбувається до­сить активно; таку операцію називають глибинним нагрі­ванням. В зоні, де закінчується вплив «гарячої» глибини проникнення струму, нагрівання виробу проходить лише завдяки теплопровідності. Такі операції нагрівання нази­вають поверхневими.

Нагрівання вуглецевої сталі СВЧ для її гартування су­проводжується процесами перетворення перліту на аусте­ніт, перетворенням структурно вільного фериту в доевтектоїдній сталі та розчиненням надмірних карбідів у заевтектоїдній сталі. При нагріванні сталі до температури, що відповідає точці А₁ (див. рис. 4.3), перліт починає пере­творюватися на аустеніт. Однак у практичних умовах на­грівання СВЧ цей процес відбувається при деякому пере­гріві до температури, яка відповідає точці А_с1 (див. рис. 5.6), причому чим більший перепад А_с1 — А₁, тим активніше від­бувається процес перетворення. Це пов'язано з тим, що збільшується різниця рівноважних концентрацій вуглецю в аустеніті на межі з цементитом і феритом (С_ц — С_ф), а також зростає рухливість атомів вуглецю.

Рис. 4.6 – Діаграма стану залізовуглецевих сплавів для використання в умовах індукційного нагрівання виробів

Таким чином, при індукційному нагріванні доевтектоїдної сталі для здобуття аустенітної структури необхідно підвищувати температуру її нагрівання порівняно з рівно­важною. Тому режим гартування розробляється для кож­ної доевтектоїдної сталі окремо.

У заевтектоїдній сталі розчинення в аустеніті надмір­ного цементиту відбувається вище точки А_с1 закінчується при температурі, що відповідає точці А_ст. Процес розчи­нення цементиту, як і перетворення надмірного фериту, також є дифузійним процесом і залежить від умов нагрі­вання сталі.

При нагріванні сталі відбувається ріст аустенітного зе­рна. Оскільки цей процес дифузійний, його швидкість за­лежить від температури та тривалості нагрівання сталі. На­грівання СВЧ позитивно впливає на цей процес, хоча тем­ператури нагрівання при цьому вищі. Внаслідок того, що швидкість нагрівання сталі СВЧ висока, а витримка при високій температурі відсутня, дійсні розміри аустенітного зерна значно менші, ніж при пічному нагріванні. Вироби, які гартувалися після нагрівання СВЧ, мають таку мікро­структуру по глибині: дрібноголчатий мартенсит на по­верхні, мартенсит і ферит у перехідному шарі, а під ним незмінена структура серцевини.

Швидкість нагрівання виробів СВЧ залежить від пито­мого електричного опору та магнітної проникності сталі. Цим користуються при нагріванні виробів, ураховуючи змі­ну їхніх фізичних властивостей і фазових перетворень під час нагрівання. Можливими є також випадки повного при­пинення зростання температури, як показано на діаграмі для нагрівання евтектоїдної сталі до температури, що від­повідає точці А_с1 (див. рис. 4.5).

Глибину проникнення струму під час нагрівання ви­робів з феромагнетиків наведено в табл. 4.1, а розподіл температури по перерізу виробу показано, на рис. 8.6. На графіку по осі ординат відкладено температури: Т_К — точ­ка Кюрі; Т_г — температура гартування; Т_п — температура поверхні, а по осі абсцис: D'_к — глибина проникнення стру­му радіочастоти в гарячий метал; х_к — глибина загартова­ного шару; D"_к — глибина проникнення струму звукової частоти. Криві на графіку характеризують такі періоди про­цесу нагрівання: 1 — початковий період, коли глибина про­никнення струму незначна; 2 — нагрівання виробу стру­мом радіочастоти до глибини, меншої від заданої; 3, 4 — відповідно глибинне та поверхневе нагрівання виробу до потрібної глибини шару х_к.

Найсприятливіший розподіл температури по перерізу виробу буде при нагріванні, що відповідає умовам кривої 3, оскільки в межах заданої глибини температура виробу змінюється незначно. Тому його гартування буде найбільш якісним з однорідною структурою по всій глибині виробу. При нагріванні, яке відповідає умовам кривої 4, температура виробу в межах нагрітого шару змінюється різко, що веде до перегрівання поверхневих шарів виробу.

Таким чином, гартування металу СВЧ слід вести за режи­мом, коли товщина нагрітого шару не перевищує глибини проникнення струму в гарячий метал. Термічними пара­метрами нагрівання є кінцева температура виробу t_к і швид­кість його нагрівання vф (°C/c) у межах фазових перетво­рень. Зміщення фазових перетворень зумовлює необхідність нагрівання виробів для гартування до температури вищої, ніж у звичайній печі. Порівняльні значення температур на­грівання виробів у печі та СВЧ наведено в табл. 5.1

Таблиця 4.1 Температура нагрівання виробів для гартування залежно від швидкості нагрівання

Марка сталі	Температура нагрівання в печі, °С	Нагрівання СВЧ зі швидкістю, °С/с
40Х 50Г У8 У12	840...860 810...860 820...840 850...870 820...840 790...820 760...780	850...900 830...880 810...850 830...880 810...850 780...820 780...820	880...920 860...910 830...880 860...920 830...880 780...850 780...850	930...980 900...950 870...920 900...960 870...920 780...860 780...860	960...1020 930...1000 900...960 960...1000 900...960 820...920 820...920

Охолодження поверхні виробу після його нагрівання СВЧ здійснюється за допомогою душового пристрою — спреєра 4, який монтується разом з індуктором 2 (див. рис. 4.2, б). Ефективність охолодження виробу залежить від багатьох параметрів як душу (типу охолодного середо­вища, його витрати, швидкості стікання, температури), так і спреєра (кількість, розмір і конфігурація отворів, кут їх нахилу до охолодної поверхні, зазор між спреєром та ви­робом, що гартується). Як охолодники при гартуванні СВЧ виробів з вуглецевих сталей застосовують воду, водяні роз­чини кухонної солі, гліцерину, полівінілового спирту, а виробів з легованих сталей — воду, масло тощо.

Для зменшення внутрішніх напружень, що виникають при гартуванні виробів, обов'язково проводять низький відпуск в електропечах або самовідпуск. Особливість про­ведення відпуску після гартування виробів з нагріванням їх СВЧ полягає в тому, що значна частина перетворень, властивих відпуску, відбувається під час неперервного охо­лодження виробу при гартуванні та після нього. У зв'язку з цим температуру і тривалість нагрівання виробів при відпуску можна скоротити. Дослідженнями встановлено, що структурний стан матеріалу виробів після високочас­тотної термообробки ближчий до відпущеного, ніж до за­гартованого при звичайному нагріванні. Скорочення три­валості відпуску сприяє підвищенню продуктивності пра­ці, поліпшуючи якість термообробки.

Нині широко застосовується електричний відпуск після гартування виробів із застосуванням СВЧ, що забезпечує високий ступінь автоматизації термообробки.

Усі серійні печі на максимальну робочу температуру 700°С оснащено вентиляторами, що інтенсифікують про­цес нагрівання та збільшують рівномірність розподілу тем­ператури в робочому просторі печі.Максимальні розміри робочого простору печей серій СНО та СНЗ становлять 2300 х 4600 х 1500 мм. Печі за­стосовують для відпуску, відпалу, нормалізації та гарту­вання деталей і виробів.Серійно випускаються універсальні напівавтоматичні верстати КУ-190, КУ-198 та інші, які застосовуються для неперервно-послідовного гартування деталей типу тіл обер­тання діаметром 300...400 мм, завдовжки до 5000 мм ма­сою до 10 т.Для живлення індукторів верстатів використовують ін­дукційні установки з електромагнітними або тиристорними перетворювачами частоти, а також із ламповими генера­торами.Тиристорні перетворювачі частоти перетворюють час­тоту 50 Гц на 150...8000 Гц. Схема тиристорного перетво­рювача частоти включає випрямляч, блок дроселей, тири­сторний перетворювач (інвертор), ланки контролю та ряд допоміжних вузлів.Для індукційного нагрівання на високих частотах (50...5000 кГц) застосовують високочастотні установки ВПЧ12-100/0,066, ВЧИЗ-160/0,066, ВЧП-60/0,066, ВЧГ4-60/0,066, ВЧП-100/0,066 із ламповими генераторами. Лі­тери та цифри в індексі установки позначають: ВПЧ — вер­тикальний перетворювач частоти; ВЧ — високочастотна; И — індукційна; Г — генератор; цифра після літер — моди­фікація; цифра після дефіса — коливальна потужність, кВт; цифра в знаменнику — робоча частота, МГц.Для створення ендотермічних атмосфер застосовують установки типів ЭН-16М02, ЭН-16М03, ЭН-250ГМЗ та ін. (цифри після дефіса показують продуктивність уста­новки, м³/год). Установки мають блокову конструкцію і обладнані системою автоматичного регулювання вологос­ті атмосфери, пристроями гасіння полум'я та перекривання трубопроводів у випадку поширення полум'я з генератора в лінії газоповітряної суміш

Мікроструктура загартованої сталі Сталь 45

Рис. 4.14– мікроструктура загартованої сталі: а – мілкоігольчатий мартенсит; б – крупноігольчатий мартенсит; в – мартенсит і ферит; г – мартенсит і цементит

.

5.Вибір методів випробувань матеріалу
5.1 Весь спектр з необхідних властивостей до матеріалу кернера, визначаємо методи випробувань, Яким необхідно піддати обраних нами матеріал.
Визначення твердості по Роквелу
Твердість характеризує Опір матеріалу більшім пластичним деформаціям. Найпошіреніші методи визначення твердості пов'язані спектр поліграфічних Впровадження у випробуваним материал спеціального тіла, Яке назівають індентором, з таким зусилля, щоб у матеріалі залішівся відбіток індентора. Про величину твердості судять по відбітку.
5.1 Випробування на твердість доцільно Проводити за методом Роквела, ТОМУ ЩО деталь, Яка віготовляється, після термічної ОБРОБКИ повинна мати твердість від 61 до 65 НRС [3]. Крім того, Сейчас метод визначення твердості НЕ вімагає яких-небудь Додатковий розрахунків.
При методі Роквела індентором служити алмазний конус спектр поліграфічних кутом при вершіні 120 º (рис. 5.1) або кулька спектр поліграфічних загартованої сталі діаметром 1,59 мм 3].

Рисунок 5.1 - Схема випробування на твердістьпо Роквеллу.
Навантаженості при вікорістанні алмазного конуса встановлюється 150 або 60 кгс залежна від твердості матеріалу - Більше для Менш твердих матеріалів (загартовані сталі), менше для матеріалів з Дуже високо твердістю (тверді сплави кераміка, Що ріже). Сталева кульку вдавлюють спектр поліграфічних навантаженості
100 кгс [1]. Випробування виконують на спеціальному пріладі (рис. 5.2), Що має чорну (С) i червону (В) шкали. Шкала «С» вікорістовується при випробуваннях за допомога алмазного конуса при навантаженні 60 и 150 кгс, шкала «В» - для кульки з навантаженості 100 кгс. Значення твердості позначаються: НRС - алмазний конус, навантаженості 150 кгс; НRА - алмазний конус, навантаженості 60 кгс; НRВ - кулька. Значення твердості в одиниця НRС пріблізно в 10 разів менше, чім в одиниця НВ, тоб твердість 30 НRС пріблізно відповідає 300 НВ. Між значеннями твердості по шкалах «С» и «А» є наступна залежність: НRС = 2 НRА -104 [3].

Рисунок 5.2 - Схематично зображення прилади для вимірюва твердості за методом Роквела.

5.2Визначення ударної в'язкості
Випробування на ударну в'язкість відносяться до дінамічніх методів механічніх випробувань. Для визначення ударної в'язкості вікорістовують Зразки з надрізом, Який служити концентратором напруг и місцем Зародження тріщіні (місцем майбутнього руйнування). Вікорістовують U-і V-образні Зразки (рис. 5.8). Залежна від форми надрізу ударну в'язкість позначають KCU або KCV.

Рисунок 5.8 - Зразки для визначення ударної в'язкості.
Зразок Установлюються на маятниковому копрі (рис. 5.9) так, щоб удар маятника відбувався проти надрізу, розкріваючі йо. Маятник піднімають на висоті h1, при падінні ВІН руйнує зразок, піднімаючісь на висоті h2, h1> h2. Таким чином, робота руйнування складі: A = mg • (h1-h2) кДж [кгс • м]..

1.
Рисунок 5.9 - Схема випробувань на маятниковому копрі.
Її Значення зчітуються Зі шкалою на маятниковому копрі [6], або віраховуються по відповіднім формулами. Ударна в'язкість - ції відносна робота руйнування, тоб робота, віднесена до площі F Зразки до руйнування. Таким чином, KCU (KCV) = A / F.
Руйнування металу при ударному навантаженні розвівається у Дві стадії. На першій зароджується тріщіна, на другий вон пошірюється до руйнування Зразки. Таким чином, сумарна величина роботи руйнування складається Із двох складових - роботи Із Зародження (Аз) i Поширення (Ар) тріщіні. Ці складові залежатися від структури матеріалу. Надійність матеріалу візначається роботів Поширення тріщіні. У кріхкіх матеріалів величина Ар близьким до нуля.
У багатьох металів и сплавів (Що ма ють об'ємно-центровані кубічні й гексагональні ґраті) Зі зниженя температури спостерігається Перехід від в `язкого руйнування до кріхкого, Що проявляється в зніженні ударної в'язкості и зміні характеру злами. Температурний інтервал Зміни характеру руйнування назівається порогом холодноламкості [6].
Випробування проводять при різніх температурах, при Кожній температурі аналізують вид злами и визначаються у ньому кількість волокністої складової. За результатами випробувань будують графік (Мал.5.10).

Рисунок 5.10 - Кількість волокністої складової структури в залежності від температури випробування.
Розрізняють верхню Тв и нижню Тн границі порога холодноламкості. У цьому інтервалі температур відбувається Перехід від в'язки волокнистого ЗЛАМ до кріхкого міжкрісталітного. Часто поріг холодноламкості визначаються по температурі випробування, при якій у зламі є 50% вязкої волокністої складової Т50. Бажана експлуатуваті материал Вище Тв. Різніцю Між Троб. и Тв назівають запасом в'язкості.

Висновки

1. Метою нашої роботи був вибір матеріалу для виготовлення шатуна таким чином, щоб він задовольняв ряду вимог ( термін служби, собівартість, технологія виготовлення).

2. Була обрана легована конструкційна сталь Сталь 45, проведена її термічна обробка, яка повністю задовольняла необходимім вимогам.

3. При виконанні курсової роботи ми закріпили, узагальнили й навчилися застосовувати на практиці отримані нами в курсі «Матеріалознавство» теоретичні знання.

Література

1.Адаскин А.М., Зуев В.М. Материаловедение (металлообработка): Учебник для нач. проф. образования: Учеб. пособие для сред. проф. образования - 3-е изд., стер. - М.: Издательский центр «Академия», 2004. - 240 с.

2.Геллер Ю.А., Рахштадт А.Г. Материаловедение. Методы анализа, лабораторные работы и задачи. - М.: Металлургия, 1983, 348 с.

3.Гуляев А. П. Металловедение. Учебник для вузов. 5-е изд., перераб. и доп. М.: Металлургия, 1977. 648 с.

4.А.И Самохоцкий.,Кунявський М.Н.,Кунявская Т.М.,Парфеновская Н.Г.,Бистрова Н.А. Металловедение -М.:Металлургия, 1990.416с.

5.Кнорозов Б.В.,Усова Л.Ф.,Третьяков А.В. Технология металлов и материаловедение .М.:Металлургия,1987.800с.

Лахти Ю.М Основи металловедения:-М.:Металлургия ,1988.320с