Михеев И.И. Термообработка и твёрдость материалов. Их обозначения на чертежах
Подождите немного. Документ загружается.
Министерство образования Российской Федерации
Тверской государственный технический университет
Кафедра инженерной графики
ТЕРМООБРАБОТКА И ТВЁРДОСТЬ МАТЕРИАЛОВ.
ИХ ОБОЗНАЧЕНИЯ НА ЧЕРТЕЖАХ
Методические указания к выполнению эскизов
и рабочих чертежей деталей для студентов
механических специальностей
Тверь 2001
Приведены сведения по различным видам термических обработок и
твёрдостей материалов и их обозначениям на чертежах.
Методические указания предназначены для студентов механических
специальностей, выполняющих задания по машиностроительному черчению.
Методические указания рекомендованы к печати кафедрой
“Инженерная графика” (Протокол № 1 от 28 августа 2000 г.)
Составитель: И.И. Михеев.
Тверской государственный
технический университет, 2001
2
ВВЕДЕНИЕ
В практической деятельности любому инженеру приходится иметь дело с
различной технической документацией и, прежде всего, с чертежами.
При этом ему необходимо уметь правильно, в соответствии с действующими
стандартами оформлять чертежи при конструировании новых изделий и
работать с уже имеющейся документацией.
Настоящие методические указания ставят своей целью расширить
технический кругозор студентов в ходе изучения курса машиностроительного
черчения при оформлении эскизов деталей, деталировании, чтении и
составлении сборочных чертежей.
Методические указания дают основные сведения по термической обработке
материалов как одному из эффективных методов упрочнения металлов и их
сплавов, а также по определению твёрдостей поверхностей, получаемых после
термообработки и их обозначениям на чертежах.
1. ТЕРМИЧЕСКАЯ ОБРАБОТКА МЕТАЛЛОВ
1.1. Общие сведения
Прежде всего, следует отметить, что термическая обработка металлов
подробно изучается в курсе “Материаловедение”.
Термообработка часто является составной частью общего цикла
изготовления деталей машин и инструмента. Она применяется для придания
металлу требуемых механических, физических и химических свойств,
обеспечивающих необходимые характеристики изделия. Получаемое в
результате термообработки упрочнение металла позволяет повысить
долговечность деталей и, следовательно, машин, а также уменьшить их массу и
габаритные размеры.
Термическая обработка – процесс обработки металлов (сплавов) в твёрдом
состоянии путём термического воздействия, сочетаемого в ряде случаев с
химическим, деформационным или иным воздействием.
1.2. Термическая обработка стали
Сталь – это сплав железа с углеродом, содержание которого не должно
превышать 2,14%. Для придания стали различных свойств в неё добавляют в
небольших количествах различные элементы (в основном металлы). Такие стали
называются легированными.
Сплавы с содержанием углерода более 2,14% называются чугунами.
К основным видам термообработки стали относят отжиг, нормализацию,
закалку, отпуск, старение, обработку холодом.
ОТЖИГ И НОРМАЛИЗАЦИЯ – вид термообработки, предназначенный для
получения равномерной структуры металла, улучшения обрабатываемости,
повышения пластичности, уменьшения остаточных напряжений. Данная
термообработка заключается в нагреве металла до определённой температуры,
выдержке и последующем медленном охлаждении.
3
ЗАКАЛКА – термообработка, в результате которой повышаются твёрдость,
упругость и износостойкость стали. При закалке изделия нагревают до
определённой температуры, выдерживают, а затем быстро охлаждают в
закалочных средах.
Основными параметрами являются температура нагрева и скорость
охлаждения.
В качестве закалочных сред применяют воду, минеральное масло и другие
охлаждающие среды.
Вода отличается высокой интенсивностью охлаждения. Масла обладают
пониженной (в несколько раз) по сравнению с водой скоростью охлаждения.
ОТПУСК и СТАРЕНИЕ. Эти виды термообработки ставят своей целью
снятие внутренних напряжений в закалённых деталях. При отпуске и старении
детали нагревают до определённой температуры, выдерживают, а затем
медленно охлаждают.
Старение проводят для закалённых и отпущенных деталей с целью снятия
внутренних напряжений и получения более равновесного состояния
ответственных изделий (детали точных станков, измерительных калибров,
быстроходных машин и т.п.).
1.3. Термическая обработка чугуна
Как было отмечено выше, чугун – это сплав железа с углеродом (более
2,14%). Обычно в чугуне присутствует 3…..4,5% углерода. Для придания чугуну
тех или иных свойств в него могут вводиться различные элементы. Различают
белый, серый, ковкий чугун и др.
В белом чугуне отсутствует свободный графит (весь углерод находится в
химически связанном состоянии с железом). Этот чугун характеризуется
высокой твёрдостью, хрупкостью и плохо обрабатывается резанием.
В сером чугуне почти весь углерод находится в свободном состоянии.
Серый чугун является самым распространённым и дешёвым литейным
сплавом. Он обладает высокими литейными свойствами. Маркируется серый
чугун буквами СЧ.
Ковкий чугун получают длительным отжигом отливок из белого чугуна. В
результате отжига часть углерода переходит в свободное состояние в виде
отдельных включений (хлопьев). Чугун при этом, сохраняя высокую твёрдость,
приобретает некоторую пластичность.
По механическим свойствам этот чугун занимает промежуточное положение
между серым чугуном и литой углеродистой сталью. Маркируется ковкий чугун
буквами КЧ.
Основные виды термообработки чугуна – отжиг, нормализация, закалка,
отпуск.
1.4. Поверхностное упрочнение стальных и чугунных деталей
Приведённые выше различные виды термообработки обладают одним общим
свойством – изделия термообрабатываются в полном их объёме, т.е. на всю
глубину.
4
Однако многие детали машин, станков и приборов при работе испытывают
одновременно различные нагрузки – ударные, растягивающие, сжимающие,
изгибающие, крутящие, контактные и др. Такие детали должны иметь высокую
твёрдость поверхностного слоя и достаточную пластичность сердцевины, что
достигается поверхностным упрочнением.
Основными видами поверхностного упрочнения деталей являются
поверхностная закалка и химико-термическая обработка.
Поверхностному упрочнению подвергают коленчатые валы, зубчатые колёса,
шарики и ролики подшипников, крестовины карданов, многие виды инструмента
и другие детали.
Поверхностная закалка осуществляется индукционным способом как
стальных, так и чугунных деталей. Индукционный нагрев основан на
следующем явлении. При прохождении переменного тока высокой частоты по
проводнику (медному индуктору) вокруг него образуется переменное
электрическое поле, силовые линии которого пронизывают помещённую в
индуктор деталь. В поверхностном слое детали возникают вихревые токи (токи
Фуко), вызывающие нагрев этого слоя до высокой температуры.
Таким образом, главное преимущество индукционного нагрева заключается в
выделении теплоты в небольшом объёме нагреваемого металла, что позволяет
осуществлять нагрев с большой скоростью. При индукционной закалке
поверхность детали нагревается до необходимой температуры, после чего
охлаждается водой либо маслом.
Поверхностная закалка осуществляется также нагревом поверхностей
деталей с помощью газового пламени или в электролите.
В настоящее время применяется также лазерная закалка поверхностного слоя
деталей. Упрочнению лучом лазера могут подвергаться как стали, так и серые
чугуны. Сущность лазерной закалки состоит в том, что закаливаемая часть
детали за очень короткий промежуток времени (0,5….50 мс) нагревается до
температуры, превышающей температуру обычного нагрева (почти до
температуры плавления), и охлаждается с большой скоростью за счёт отвода
теплоты в остальную массу детали без применения охлаждающих средств. В
результате лазерной закалки твёрдость поверхности детали получается на
15….21% выше, чем при рассмотренных ранее видах термообработки. Лазерный
луч даёт также возможность обрабатывать труднодоступные места деталей.
Химико-термическая обработка металлов – это тепловая обработка в
химически активной среде для изменения химического состава, структуры и
свойств поверхностного слоя металлического изделия.
Данная обработка позволяет повысить твёрдость, износостойкость,
прочность при сохранении высокой вязкости сердцевины изделия.
Основные виды химико-термической обработки следующие:
Цементация (науглероживание) – процесс диффузионного насыщения
поверхностных слоёв стальных деталей углеродом, для чего используется
древесный уголь или природный газ.
Цианирование – процесс насыщения поверхности стали углеродом или
азотом с использованием расплавленных солей.
5
Азотирование – диффузионное насыщение поверхностного слоя детали
азотом с использованием газовых сред или расплавленных солей.
Толщина получаемого слоя при химико-термической обработке составляет
0,2…2 мм.
2. ТВЁРДОСТЬ МАТЕРИАЛОВ
2.1. Общие сведения
В технике получили широкое распространение различные методы оценки
твёрдости материалов по условным шкалам. При этом твёрдость
характеризуется числом (показателем).
Применяют шкалы Роквелла, Бринелля, Виккерса и других, из которых в
машиностроении применяют шкалы Роквелла, Бринелля, Виккерса.
При таком разнообразии шкал необходимо знать соотношение чисел
твёрдости.
2.2. Числа твёрдости
Число твёрдости по Роквеллу ( HR )
Метод разработан американским металлургом С.П. Роквеллом. За единицу
твёрдости принята величина, соответствующая осевому перемещению
наконечника на 0,002 мм, т.е. IHRCэ = 0,002 мм. Наконечник в виде алмазного
конуса или стального шарика вдавливается в испытуемый образец под
действием определённой нагрузки. Определяется твёрдость с помощью прессов
Роквелла, которые имеют три шкалы А,В, и С. Шкалы А и С используют при
испытании твёрдых материалов с помощью алмазного конуса. Шкалу В
применяют для сравнительно мягких материалов путём вдавливания стального
шарика диаметром 1,588 мм.
В зависимости от шкалы число твёрдости обозначается HRA, HRB, HRC. В
нашей стране создан специальный эталон воспроизведения твёрдости по шкалам
С Роквелла и Супер-Роквелла, обозначаемой HRCэ, в отличие от ранее
применявшейся у нас HRC.
Методика определения чисел твёрдости по Роквеллу и их значения
регламентированы ГОСТ 8.064 –79.
При использовании ранее изданной отечественной литературы следует
использовать для перевода HRC в HRCэ соответствующие таблицы данного
стандарта. При использовании зарубежной литературы числа твёрдости HRC
приравниваются к HRCэ.
В настоящее время следует указывать требования к твёрдости по шкале
HRCэ.
Число твёрдости по Бринеллю ( HB)
Метод Бринелля (назван по имени шведского инженера Ю.А.Бринелля) по
определению чисел твёрдости применим к чёрным и цветным металлам. При
измерении твёрдости по Бринеллю стальной шарик вдавливается в испытуемый
образец под действием определённой нагрузки. Методика определения чисел
твёрдости и их значения регламентированы ГОСТ 9012-59.
Число твёрдости по Виккерсу ( HV)
6
Метод Виккерса (по названию английского концерна “Виккерс”) применим
для металлов и сплавов. Твёрдость определяется с помощью прибора Виккерса
путём вдавливания в испытуемый образец алмазного наконечника в виде
четырёхгранной пирамиды под действием определённой нагрузки. Методика
определения чисел твёрдости по Виккерсу и их значения регламентированы
ГОСТ 2999-75.
Наиболее распространённые в промышленной практике числа твёрдости по
шкале Роквелла широко известных деталей и инструментов с целью ориентации
при назначении твёрдости приведены в таблице.
3. ПРАВИЛА НАНЕСЕНИЯ ПОКАЗАТЕЛЕЙ СВОЙСТВ
МАТЕРИАЛОВ НА ЧЕРТЕЖАХ ИЗДЕЛИЙ, ПОДВЕРГАЕМЫХ
ТЕРМИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКЕ
Показатели свойств материалов на чертежах изделий, подвергаемых
термообработке, наносятся в соответствии с ГОСТ 2.310-68.
3.1. На чертежах изделий, подвергаемых термической и другой обработке,
указывают показатели свойств материалов, полученных в результате обработки:
твёрдость и глубину обработки.
Глубину обработки и твёрдость материалов на чертежах указывают
предельными значениями, обозначая “от …до”, например:
h = 0,7…0,9; 40…45 HRCэ.
Допускается указывать наименьшие значения этих величин с предельными
отклонениями, например: h 0,8+-0,1;(45+-3) HRCэ.
3.2. Допускается на чертежах указывать виды обработки, результаты которых
не подвергаются контролю, например, отжиг.
В этих случаях наименование обработки указывают словами или условными
сокращениями, принятыми в научно-технической литературе, (рис. а, б).
3.3. При необходимости в зоне требуемой твёрдости указывают место
испытания твёрдости (рис. в).
3.4. Если всё изделие подвергается одному виду обработки, то в технических
требованиях делают запись: “40…45 HRCэ” или “Цементировать h 0,7…0,9 мм;
55…60 HRCэ” или “Отжечь” и т.п.
3.5. Если большую часть поверхности изделия подвергают одному виду
обработки, то в технических требованиях делают запись по типу “40…45 HRCэ
кроме поверхности А” (рис. г), или “30…35 HRCэ, кроме места, обозначенного
особо” (рис. д).
3.6. Если обработке подвергаются отдельные участки изделия, то показатели
свойств материала и способ их получения указывают на полках линий-выносок,
а участки изделия, которые должны быть обработаны, отмечают штрих
пунктирной линией, проводимой на расстоянии 0,8…1 мм от них, с указанием
размеров, определяющих поверхности (рис. е,ж). Размеры, определяющие
поверхности, подвергаемые термообработке, допускается не проставлять, если
они ясны из чертежа (рис. и,к).
3.7. Поверхность изделия, подвергаемая обработке, отмечается штрих
пунктирной утолщённой линией на той проекции, на которой она ясно
определена
7
Таблица
Числа твёрдости HRC и HRCэ для некоторых деталей и инструментов
Детали и инструменты (в скобках указаны марки
стали)
Числа твердости
HRC HRCэ
1. Головки откидных болтов, гайки шестигранные.
Рукоятки зажимные (45)
33…38 34,7…39,9
2. Оси шарниров, головки установочных винтов,
планки прижимные, головки винтов с внутренними
шестигранными отверстиями (40Х)
35…40 36,7…41,6
3. Шлицы гаек (20, 40, 45) 36…42 37,7…43,5
4. Зубчатые колеса, шпонки, сухари к станочным
пазам (45)
40…45 41,6…46,4
5. Пружинные и стопорные кольца (65Г) 45…50 46,4…51,3
6. Центры токарные, цанги (У7А) 50…60 51,3…61,0
7. Зубчатые колеса (20Х), кулачки, сухари,
эксцентрики, губки к тискам и патронам. (20)
56…60 57,1…61,0
8. Копиры, ролики копирные (У8А, У10А) 58…63 59…63,9
9. Втулки кондукторные (20) 60…64 61,0…64,9
8
9
(рис. л). Допускается отмечать эти поверхности и на других поверхностях, при
этом надпись с показателями свойств материала, относящихся к одной и той же
поверхности, наносят один раз (рис. м).
3.8. При одинаковой обработке симметричных участков отмечают
штрихпунктирной утолщённой линией все поверхности, подвергаемые
обработке, а показатели свойств материала указывают один раз (рис. и, н).
3.9. Если надписи, определяющие свойства обработанных поверхностей,
затрудняют чтение чертежа, то допускается приводить их на дополнительном
упрощённом изображении, выполненном в уменьшенном масштабе.
10