Основы конструирования

электронный учебно-методический комплекс

Назад | На главную | Содержание | Поиск на странице | Печать | E-mail | Далее

3.3. Термическая обработка деталей машин

3.3.1. Конструирование деталей, подвергаемых термообработке

3.3.1.1. Выбор вида термической обработки

Детали, подвергаемые значительному износу, должны иметь высокую твёрдость в соответствующих местах и требуемые механические свойства сердцевины.

Повышенная твёрдость поверхности на заданную глубину может быть получена местной или общей закалкой поверхности с нагревом ТВЧ или газовым пламенем, а также химико-термической обработкой (цементацией с последующей закалкой, цианированием или нитроцементацией с последующей закалкой и азотированием).

Необходимо подбирать сталь такой марки, которая при данном сечении обеспечивает требуемую прочность при наибольших допустимых температурах отпуска. Это даёт возможность изготовлять детали с наименьшими напряжениями.

При подборе стали для деталей, работающих при знакопеременных нагрузках, необходимо учитывать, что усталостная прочность резко снижается от наличия в деталях растягивающих напряжений и структурной неоднородности после термической обработки. В этом случае выбирают сталь, допускающую закалку в масле или на воздухе с отпуском не ниже 400С.

Закалка объёмная.

1. Общей объёмной закалке следует подвергать углеродистые и легированные стали. Углеродистые конструкционные стали при закалке с отпуском обеспечивают высокую прочность при толщине детали до 40 мм, но обладают низкой ударной вязкостью. Применение углеродистых сталей рационально для деталей простой формы, допускающих охлаждение в воде при их закалке.
   Закалка в воде деталей сложной конфигурации создаёт значительные внутренние напряжения, приводящие к короблению, а иногда и к трещинам. Вследствие ограниченной прокаливаемости углеродистых сталей получается неравномерная твёрдость по сечению детали.
2. Для деталей сложной формы и больших сечений применяют легированные стали, обладающие более высокими механическими свойствами и лучшей прокаливаемостью.
3. Детали сложной формы, если не требуется их повышенная прочность, целесообразно изготовлять из низколегированных сталей, применяя охлаждение в масле или в расплавленных солях.
4. Объёмная закалка может быть общая и местная.
5. Для углеродистых конструкционных и инструментальных сталей при пониженных требованиях к механическим свойствам сердцевины и для легированных сталей при повышенных требованиях рекомендуется объёмная закалка как наиболее простая и наименее трудоёмкая термическая обработка по сравнению с другими способами получения необходимой твёрдости деталей.
6. Чем выше назначаемая твёрдость, тем вероятнее появление трещин от остаточного напряжения. Сложные детали, значительные деформация и коробление которых недопустимы (например, ответственные зубчатые колёса, длинные валы и т. п.), нужно изготовлять из стали, обеспечивающей необходимые механические свойства при закалке в масле. В масле также необходимо закаливать детали сложной конфигурации, переменного сечения, с острыми углами, глубокими пазами и резкими переходами (двойные и блочные зубчатые колёса; зубчатые колёса с длинными и массивными ступицами; зубчатые колёса, изготовленные совместно с валами; валы с фланцами; шлицевые валы; червяки и др.).

Твёрдость термически обрабатываемых деталей должна устанавливаться с разницей не менее 5 и не более 12 единиц HRC. Повышенная разница должна назначаться для деталей менее ответственных и имеющих большие габаритные размеры.

Изотермическая закалка является прогрессивным и перспективным методом термической обработки, обеспечивающим хорошее сочетание твёрдости, пластичности и ударной вязкости при минимальном короблении деталей.

Одним из наиболее эффективных методов изотермической обработки является светлая закалка в щелочах деталей 2-го и 3-го классов точности без последующей пескоструйной очистки. Светлую закалку применяют преимущественно для мелких и средних деталей (ограничение связано с габаритными размерами щелочных ванн).

Закалка с нагревом ТВЧ и газовым пламенем.

1. Местная закалка ТВЧ является наиболее рациональным способом повышения твёрдости поверхности деталей машиностроения.
   Поверхностную закалку с нагревом ТВЧ применяют в случае, когда требуются высокие механические свойства по всему сечению детали. При этом поверхностный слой получит высокую твёрдость и новую структуру, а сердцевина сохранит исходные свойства.
2. Легированные стали при необходимости сочетания высоких механических свойств и высокой твёрдости поверхности рационально подвергать общей объёмной закалке с отпуском, а затем местной поверхностной закалке с нагревом ТВЧ.
3. При закалке с нагревом ТВЧ коробление, обезуглероживание и окалинообразование минимальны, а поверхностный слой более твёрд, чем при закалке с нагревом в печи. Для участков детали, обрабатываемых ТВЧ, не требуются специальные предохранительные меры (омеднение, лужение, припуск на механическую обработку, предохранительная обмазка) в отличие от местной цементации, нитроцементации и азотирования.
4. Нагрев ТВЧ позволяет осуществить местный отпуск и регулировать твёрдость поверхности детали.
5. Поверхностная закалка деталей ТВЧ является прогрессивным способом термической обработки, отличающимся высокой производственной культурой, технологичностью процесса и повышением качества деталей. Преимуществом этого способа является возможность размещения установок в станочных линиях и автоматизации процесса закалки. Для отработки режимов термической обработки ТВЧ необходимо предусматривать изготовление деталей-образцов (кондукторов).
   При назначении конструктором закалки ТВЧ технические требования чертежа должны быть согласованы со специалистом по термической обработке.
6. Поверхностной закалке с нагревом газовым пламенем подвергают детали из конструкционных углеродистых и легированных сталей после соответствующей термической и механической обработки. Глубина закалённого слоя 1 – 6 мм.
   В деталях, подвергающихся циклическим нагрузкам, при закалке газовым пламенем и ТВЧ не допускается обрыв закалённого слоя, чтобы в зоне перехода к закалённому слою не произошло разрушения.
7. Закалка с нагревом газовым пламенем отличается минимальным короблением и отсутствием значительного окисления поверхности детали. Такой обработке подвергают крупные детали в индивидуальном производстве, где методы объёмной закалки неприменимы, а нагрев ТВЧ ограничивается мощностью установок и трудностью изготовления кондукторов при сложной форме закалки.

Химико-термической обработке подвергают детали из конструкционной углеродистой и легированной стали с малым содержанием углерода, при требовании высокой износостойкости поверхности и высокой вязкости сердцевины в сочетании с высокой прочностью.

Все виды поверхностного упрочнения химико-термической обработки повышают усталостную и коррозионно-усталостную прочность как углеродистой, так и легированной стали.

Цементация является трудоёмким и дорогостоящим процессом с длительным технологическим циклом. Её рационально применять для деталей, работающих на трение при больших давлениях, когда требуется большая глубина твёрдого поверхностного слоя (не менее 0,5 мм). Глубина слоя цементации может быть до 1/16 наименьшей толщины детали в цементируемых местах, но не более 2 мм.

Если требуется высокая износостойкость поверхности и не требуется повышенная прочность сердцевины (удовлетворяют механические свойства стали в нормализованном состоянии), а также при необходимости избежать деформации при закалке следует применять цементацию с местной закалкой поверхности ТВЧ.

Цианирование применяют для деталей, работающих на трение при небольших давлениях, когда нужно получить высокую твёрдость поверхности и минимальное коробление. Глубина цианированного слоя не более 0,3 мм.

Цианирование – дорогостоящий процесс, для которого требуется специальное оборудование.

Нитроцементацию применяют для деталей, работающих на трение при разных давлениях, глубина слоя от 0,2 до 1 мм. Износостойкость нитроцементированной поверхности на 20 – 30 % выше износостойкости цементированной поверхности.

Нитроцементация с последующей закалкой сопровождается меньшими деформациями деталей, чем цементация с закалкой.

Преимущество нитроцементации по сравнению с цементацией и азотированием заключается в скорости процесса и одновременном насыщении стали углеродом и азотом.

Азотирование рекомендуется применять для деталей со сложной конфигурацией, работающих на износ без больших давлений, когда не допускаются значительные коробления и требуется особо твёрдый поверхностный слой.

Азотированный слой повышает коррозионную стойкость, износостойкость и усталостную прочность стальных деталей в условиях повторно-переменных нагрузок. Твёрдость поверхностного слоя азотированных стальных деталей в 1,2 – 1,5 раза больше, чем цементированных и закалённых.

При азотировании происходит незначительное увеличение размеров детали за счёт объёма азотированного слоя. Процесс является завершающей операцией технологического цикла, за которой следует окончательное шлифование и притирка деталей.

Когда на детали воздействуют высокие контактные или ударные нагрузки, применять азотирование не рекомендуется вследствие хрупкости азотированного слоя и его незначительного сопротивления ударным нагрузкам.

Технологический цикл процесса азотирования 25 – 80 часов. При этом требуется специальное оборудование и стоимость азотирования дороже других видов химико-термической обработки.

3.3.1.2. Особенности конструирования термически обрабатываемых деталей

При объёмном или поверхностном упрочнении методом закалки или химико-термической обработки в деталях возникают внутренние напряжения. Характер и величина напряжений зависят от вида термической обработки, выбранной марки стали и ряда конструктивных особенностей. При неправильном сочетании этих трёх факторов термическая и последующая механическая обработка деталей затрудняется. В отдельных случаях получается брак или детали поступают в эксплуатацию в напряжённом состоянии.

Общие конструктивные требования к деталям

1. Форма детали должна предусматривать устранение возможности возникновения концентрации напряжений и чрезмерных деформаций. При термической обработке концентрация напряжений появляется в местах резких изменений формы детали (шпоночные пазы, вырезы, подрезы, канавки, грубо обработанные поверхности и сварные швы).
2. Детали не должны иметь острых углов, тонких концов и выступов.
3. Стенки полых деталей должны быть одинаковой толщины.
   
4. Сечение детали должно быть по возможности симметричным. Большая асимметрия может привести при закалке к значительной деформации и даже к разрушению детали.
5. Внутренние углы и резкие переходы деталей должны быть закруглены, чтобы избежать образования закалочных трещин. У деталей, закаливаемых в воде, радиусы закруглений должны быть не менее 0,5 мм, а у деталей, закаливаемых в масле, – не менее 0,25 мм. При меньших радиусах закруглений необходимы специальные меры для защиты деталей в углах и в местах резких переходов от трещинообразования, что усложняет и удорожает термообработку.
6. У деталей, закаливаемых с внутренней стороны поверхности, необходимо обеспечить возможность удаления образующегося при закалке пара. В противном случае нельзя гарантировать получения на внутренних поверхностях требуемой твёрдости, не исключены коробление и трещины.

Если закалка поверхности отверстия не обязательна, его защищают от охлаждения пробкой из огнеупорной массы. Для этого на чертеже детали делают указание или соответствующую запись помещают в технических требованиях.

Не рекомендуется назначать высокую твёрдость на внутренних поверхностях, в глухих отверстиях, выемках цементуемых деталей.

Влияние разных размеров сечений детали

Резкая разница в размерах отдельных сечений детали – разница в их массе – вызывает при закалке большие напряжения, приводящие короблению и к образованию трещин.

Коробление можно уменьшить усилением тонкой стороны профиля и ослаблением массивной. При изменении сечений в детали следует избегать резких переходов от тонких сечений к толстым. Если нет возможности применения плавных переходов от тонких сечений к толстым, следует применять конструкцию, состоящую из двух частей.

Отверстия в тонких выступах и стенках с переменным сечением не допускаются, так как это приводит к образованию трещин. Если по конструктивным соображениям нельзя увеличить толщину стенок до толщины основного сечения, то деталь следует подвергать местной или поверхностной закалке, оставляя стенку незакалённой.

При невозможности получения требуемой твёрдости или прочности на заданных толщинах детали в отдельных случаях необходимо делать дополнительные отверстия, уменьшая массу. Это увеличит прокаливаемость и обеспечит требуемую прочность детали.

Не рекомендуется назначать жёсткие допуски, так как не всегда удаётся правкой или рихтовкой исправить деформированную деталь из-за образования трещин.

Влияние острых углов канавок, надрезов и грубо обработанных поверхностей

При закалке острые углы, канавки, надрезы являются местами концентрации напряжений. Создаваемые напряжения могут образовать трещины. Влияние этих факторов тем сильнее, чем выше требуемая твёрдость.

В местах резких переходов должны быть галтели или максимально допустимые радиусы. Скругления особенно важны для внутренних углов детали, являющихся концентраторами больших напряжений. Величина радиусов желательна не менее 2 мм.

Влияние концентраторов напряжений может быть снижено за счёт выбора марки стали, вида химико-термической обработки, снижения твёрдости.

При поверхностном упрочнении (цементации, азотировании, закалке ТВЧ) острые углы или недостаточные закругления краевых поверхностей приводят к скалыванию упрочнённого слоя.

При резком охлаждении ненадёжных переходов сечений детали применяют различные покрытия (асбестом, глиной, проволокой и пр.).

Для деталей из проката или поковки необходимо учитывать расположение волокон в заготовке. При расположении цементованного слоя перпендикулярно направлению волокон происходит его скалывание.

Для пружин, подлежащих термической обработке, следует предусматривать материал без глубоких рисок, образующих трещины; то есть применять прутки или проволоку повышенной твёрдости.

Влияние несбалансированных напряжений

Конструктивные факторы, нарушающие симметрию внутренних напряжений при термической обработке:

• несимметрично расположенные отверстия в одной из плоскостей детали;
• отверстия разных размеров и формы, создающие разную массу металла;
• несимметрично расположенные упрочнённые поверхности.

Нарушение симметрии внутренних напряжений приводит к короблению деталей, а в отдельных случаях и к трещинам.

Размещать отверстия в закаливаемых деталях нужно так, чтобы расстояние между центрами ближайших отверстий или от центра до края детали было не менее двух диаметров отверстий.

Для уравновешивания напряжений следует стремиться к созданию симметрии в конструкции, обеспечивающей равномерность расположения масс металла по контуру детали. это достигается дополнительными облегчающими отверстиями, выемками, окнами и т. п.; составлением деталей из отдельных частей; симметричным расположением упрочняемых поверхностей, допуская в некоторых случаях упрочнение нерабочих поверхностей.

3.3.1.3. Конструирование деталей, подвергаемых местной закалке

При сложной конфигурации детали назначать по возможности только местные высокие твёрдости.

Границей зоны закалки считается место, до которого простирается участок детали, имеющей твёрдость, оговоренную на чертеже.

Отклонение размера закалённой зоны зависит от метода нагрева под закалку, а также от толщины детали и ориентировочно может быть принято равным 1 – 2,5 толщины детали. Длина переходной зоны зависит от технологии нагрева и может составлять 1,5 – 2 толщины детали.

Если местную закалку применяют для предотвращения поломки деталей при клёпке или затягивании болтом, то расстояние от центра отверстия, через которое проходит заклёпка или болт, до ближайшей границы зоны закалки должно быть не менее полутора диаметров отверстия.

При твёрдости закалённой зоны менее HRC 45 опасность поломки при клёпке невелика, если термическая обработка произведена правильно, в таком случае вводить местную закалку не следует.

Деталь должна иметь две зоны: 1) закалённую и отпущенную до заданной твёрдости; 2) незакалённую.

Наличие нескольких закаленных зон с регламентированными различными значениями твёрдости крайне нежелательно. Поэтому рекомендуется такие детали подвергать закалке и отпуску для получения твёрдости, средней из указанных значений, а те части, где требуется повышенная твёрдость, дополнительно подвергать поверхностной закалке.

При местной объёмной закалке зона закалки должна прилегать к краю детали. если этого сделать нельзя, следует предусмотреть возможность поверхностной закалки середины при нагреве ТВЧ или, в крайнем случае, замены цельной детали сборной.

При местной цементации возможно различное соотношение и расположение цементованной и нецементованной зон. Однако введение дополнительной операции – защиты отдельных мест от цементации – дорожает производство. Поэтому желательно, где это допустимо, производить цементацию всей детали, подвергая её затем местной закалке.

При упрочнении химико-термической обработкой поверхностей большой длины возникает деформация детали. В отдельных случаях следует назначать местную закалку, что уменьшает коробление, наличие же мягкого участка позволяет осуществлять правку детали.

3.3.1.4. Особенности конструирования сварных деталей, подвергаемых закалке

Не рекомендуется назначать высокую твёрдость в местах сварки.

На чертежах или в технических требованиях на сварные детали с термической обработкой всего объёма или поверхности (включая места сварки) следует предусматривать контроль сварных швов на отсутствие дефектов: трещин, раковин и шлаковых включений. Действие концентратора напряжений усиливается, если в области шва делаются канавки или отверстия.

Места сварки необходимо удалять от мест резких переходов по сечениям детали на расстояние не менее 10 мм, в противном случае суммарные напряжения – сварочные и термические – приводят к образованию трещин.