Исследование втулки сталь 12хн3а

Продолжительность цементации. Общая продолжительность цементации слагается из суммы времени, необходимого для прогрева деталей до рабочей температуры процесса, времени выдержки при этой температуре для получения цементованного слоя заданной глубины и времени подстуживания.

Продолжительность периода прогрева в печах зависит  от веса садки, температуры печи в  момент загрузки, тепловой мощности печи и рабочей температуры процесса

Продолжительность периода выдержки для получения цементованного слоя заданной глубины зависит главным образом от температуры и требуемой глубины слоя, при этом имеют значение также активность карбюризатора и химический состав цементуемой стали.

Скорость цементации не остается постоянной даже при одной и той же температуре. Как известно, по мере увеличения глубины слоя она уменьшается. Если принять в определенных интервалах глубины слоя эту скорость постоянной, что практически вполне допустимо, то для данной температуры процесса продолжительность его можно приближенно определить, разделив заданную величину слоя на среднюю скорость цементации. В табл. 2 приведены средние значения скорости газовой цементации в зависимости от температуры для различных интервалов глубины слоя.

Как видно из таблицы, при цементации на глубину 1,5 мм при температуре процесса 930 °С время цементации составляет 8–10 ч. Продолжительность нагрева составляет 30 – 40% общего времени цементации. 
 
 
 

Таблица 2 – Средние  значения скорости газовой цементации при

Приведенные цифровые данные о скорости цементации являются усредненными и могут служить  лишь как ориентировочные при  разработке технологического процесса газовой цементации.

Режим охлаждения. Режим охлаждения деталей после цементации во многом определяет свойства цементованного слоя. Скорость охлаждения должна быть выбрана так, чтобы обеспечить минимальное коробление деталей, отсутствие трещин, карбидной сетки и, в случае необходимости – возможность механической обработки. Практически после газовой цементации охлаждение деталей осуществляют на воздухе и в закалочных средах.

При цементации легированных сталей от режима охлаждения зависит склонность к образованию  трещин. Трещины всех видов при  химико-термической обработке возникают  вследствие внутренних напряжений. Эти напряжения вызываются неоднородностью структуры различных зон цементованного слоя, что присуще самой его природе. В легированных сталях в результате охлаждения после цементации в слое могут образоваться зоны со структурой мартенсита, троостита и остаточного аустенита, имеющие разные удельные объемы, что вызывает появление внутренних напряжений.

Сущность всех рекомендаций по предотвращению трещин, связанных со структурными превращениями  в цементованном слое, заключается  в том, чтобы избежать появления в нем полосчатой структуры, состоящей из зон с различными удельными объемами.

Для каждой марки  стали существует своя «опасная»  скорость охлаждения, способствующая образованию наиболее неоднородной структуры, которая может быть причиной возникновения трещин. Для предотвращения трещин охлаждение нужно ускорить или замедлить в зависимости от марки стали, типа деталей и других условий.

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.  

 

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 АсЗак цементируемой стали. При таком нагреве во всем объеме детали установится аустенитное состояние (рис. 3). Нагрев до температур, лишь немного превышающих АсЗак, 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 tЗак2 с превышением на 30–50 °С температуры Act (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.

 
Рисунок 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.