Выбор материала и режима термической обработки для изготовления тяжело нагруженного вала

Размещено на http://www.allbest.ru/

Министерство образования и науки Российской Федерации

Центр Педагогического образования Новокузнецкого Филиала Института Кемеровского Государственного Университета

Технолого-экономический факультет

Кафедра ПОЭ и ОТД

Курсовой проект по материаловедению

Выбор материала и режима термической обработки для изготовления тяжело нагруженного вала

Выполнила студентка 2курса, группы ТРЗ-13,

ТЭФ ЗФО Вяткина Е.В.

Научный руководитель к.т.н., профессор кафедры

ПОЭ и ОТД Ростовцев А.Н.

Новокузнецк, 2015

Содержание

Введение

1. Устройство тяжело нагруженного коленчатого вала и принцип работы

2. Материал и способы получения заготовок для тяжело нагруженных коленчатых валов

3. Режимы ТО, для тяжело нагруженного коленчатого вала

Решение задачи

Заключение

Список литературы

Введение

Для того чтобы деталь служила долго и без различных погрешностей, необходимо правильно выбрать марку стали и термическую обработку.

Коленчатый вал является наиболее дорогостоящей и ответственной деталью двигателя. С его помощью возвратно-поступательное движение преобразовывается во вращательное движение. В процессе работы двигателя силы, разные по характеру воздействия оказывают влияние на коленчатый вал. Коленчатый вал обычно представляет собой цельный конструктивный элемент. Поэтому выбирая материал для тяжело нагруженного коленчатого вала необходимо учитывать принцип работы и нагрузки испытывающие коленвалом.

Цель моего курсового проекта: изучить общие сведения о тяжело нагруженных валах, на основе этих данных, выбрать правильные и качественные марки стали, обосновать сделанный выбор, а также рекомендовать термическую обработку тяжело нагруженного коленчатого вала.

1. Устройство тяжело нагруженного коленчатого вала и принцип работы

Коленчатый вал - один из наиболее ответственных и дорогостоящих конструктивных элементов двигателя внутреннего сгорания. Он преобразует возвратно-поступательное движение поршней в крутящий момент. Коленчатый вал воспринимает периодические переменные нагрузки от сил давления газов, а также сил инерции движущихся и вращающихся масс.

Коленчатый вал двигателя, как правило, цельный конструктивный элемент, поэтому правильно его называть деталью. Вал изготавливается из стали с помощью ковки или чугуна путем литья.

Рис 1 Эскиз коленчатого вала

Расположена эта деталь непосредственно в двигателе автомобиля, и его конструкция напрямую зависит от движка. Однако, несмотря на это, в конструкциях абсолютно всех коленчатых валов наблюдается много общего. Так из чего состоит колен вал? В качестве опоры выступают коренные шейки, в основном, применяется конструкция с четырьмя опорами, но встречаются и трех опорные. В шестицилиндровых двигателях расположены валы, у которых семь опор. Для того чтобы деталь была уравновешена, необходим противовес, а если диаметры цилиндров небольшие, тогда применяется одинарный противовес. Благодаря им обеспечивается плавная работа всего двигателя.

Выяснив, для чего служит коленчатый вал и какие силы на него действуют, становится понятным, почему сопряжения между щеками и шатунными шейками делаются немного закругленными, это предотвращает преждевременное разрушение. Между двумя щеками располагается шатунная шейка, которая называется коленом, ее предназначение - обеспечивать равномерность воспламенения, уравновешенность движка, минимальные изгибающие моменты и крутильные колебания.

Подшипники скольжения обеспечивают вращение шатунов и колен вала в опорах. На крайней или же средней коренной шейке устанавливается упорный подшипник скольжения, в его задачи входит предотвращение осевых перемещений детали. Учитывая количество деталей, которые должны четко работать все вместе, нетрудно догадаться, как тщательно балансируется эта деталь в процессе изготовления, но все равно иногда обнаруживается дисбаланс, правда, происходит это еще на этапе испытаний.

Во время работы двигателя на коленчатый вал воздействуют очень большие изгибающие и закручивающие нагрузки, поэтому вал должен быть очень прочным.

Способность вала сопротивляться нагрузкам зависит от материала, из которого сделан вал и от его конструкции.

2. Материал и способы получения заготовок для тяжело нагруженных коленчатых валов

Коленчатые валы изготовляют из углеродистых, хромомарганцевых, хромоникельмолибденовых, и других сталей, а также из специальных высокопрочных чугунов.

Для тяжело нагруженных коленчатых валов использую сталь: 40ХН2МА, 20ХНЗА, 18ХНВА, 25ХГТ и др. В связи с высокими требованиями механической прочности вала большое значение имеет расположение волокон материала при получении заготовки во избежание их перерезания при последующей механической обработке. Для этого применяют штампы со специальными гибочными ручьями. После штамповки перед механической обработкой, заготовки валов подвергают термической обработке.

3. Режимы ТО, для тяжело нагруженного коленчатого вала

Термическая обработка коленчатых валов преследует три цели:

1) увеличение прочности;

2) повышение износостойкости шеек, работающих в условиях трения и износа;

3) увеличение усталостной прочности, т. е. способности выдерживать большое число нагружений без поломок.

Для тяжело нагруженного вала обычно применяют следующие режимы ТО:

Нормализация, закалка + высокий отпуск (улучшение).

Рис. 2 Закалка + Высокий отпуск

Нормализация. Термическую операцию, при которой сталь нагревают до температуры 30-50°С выше верхних критических точек АСз и Аст, выдерживают при этой температуре и затем охлаждают на спокойном воздухе, называют нормализацией.

Рис 3 Нормализация

Нормализацией устраняют внутренние напряжения и наклеп, повышают механические свойства и подготовляют структуру стали для окончательной термической обработки.

При нормализации превращение аустенита происходит с большей степенью переохлаждения, чем при отжиге, поэтому перлит имеет более тонкую структуру. В результате нормализации сталь получает нормальную, однородную мелкозернистую структуру. При нормализации среднеуглеродистых и малолегированных сталей образуется структура сорбитообразного перлита или сорбита и свободного феррита. При этом прочность и ударная вязкость нормализованной стали значительно выше, чем отожженной.

Сорбитообразный перлит

Для повышения прочности коленчатых валов используется закалка током высокой частоты (ТВЧ). Переменный ток определенной частоты вызывает быстрый нагрев поверхности детали и, после быстрого охлаждения, образуется закаленный слой высокой твердости.

Закалкой стали называют такую операцию термической обработки, при которой стальные детали нагревают до температуры, несколько выше критической, выдерживают при этой температуре и затем быстро охлаждают в воде или масле.

Основное назначение закалки - получение стали с высокими твердостью, прочностью, износостойкостью и другими свойствами. Качество закалки зависит от температуры и скорости нагрева, времени выдержки и скорости охлаждения.

Высокотемпературный отпуск - проводят при нагреве до 450…650 °С. При этом мартенсит полностью распадается на ферритоцементитную смесь сорбит, практически полностью снимаются внутренние напряжения, понижается прочность твердость, но возрастает пластичность. Применяют для придания изделиям ответственного назначения высокого сопротивления ударным воздействиям в сочетании с достаточной прочностью и пластичностью. Термическая обработка состоящая из закалки и высокотемпературного отпуска, называется улучшением.

Решение задачи

1.Условие задачи

Выбрать сталь для изготовления тяжело нагруженных коленчатых валов диаметром 60 мм: предел прочности должен быть не ниже 750 МПа.

Рекомендовать состав и марку стали, режим термической обработки, структуру и механические свойства после закалки и после отпуска.

Решение:

Химический состав стали марки 20ХНЗА, следующий:

20ХНЗА (ГОСТ 4543-71) - 0,17 - 0,23% С; 0,30-0,60% Mn; 0,17 - 0,37 % Si; 0,60 - 0,40 % Cr; 2,75 - 3,15 % Ni; 0,025 % S; 0,025 % Р.

коленчатый вал нагруженный сталь

Сталь 20ХНЗА, согласно ГОСТ, в состоянии поставки имеет твёрдость не более 250 НВ. Следовательно, предел прочности и при твёрдости 230-250 НВ не превышает 670 - 750 МПа.

Таким образом, для получения заданной величины предела текучести вал необходимо подвергнуть термической обработке. Для повышения прочности можно провести нормализацию, или закалку с высоким отпуском (улучшение). Проводить закалку с высоким отпуском сложнее, но позволяет получить не только более высокие характеристики, но и более высокую вязкость.

Сталь 20ХНЗА легирована никелем и хромом для повышении прокаливаемости и закаливаемости. Она получает после закалки достаточно однородные структуру и механические свойства в сечении диаметром до 75 мм.

Для стали 20ХНЗА рекомендуется термическая обработка:

1. Закалка с 820--835° С в масле. При закалке с охлаждением в масле (а не в воде, как это требуется для углеродистой стали) возникают меньшие напряжения, а следовательно, и меньшая деформация. После закалки сталь имеет структуру мартенсит и твердость не ниже 50 HRC.

2. Отпуск 520--530° С. Для предупреждения отпускной хрупкости, к которой чувствительны стали с хромом (марганцем), вал после нагрева следует охлаждать в масле. Механические свойства стали 20ХНЗА в изделии диаметром до 75 мм после термической обработки:

Предел прочности ув, МПа 900-1000

Предел текучести у0,2, МПа 750-800

Предел выносливости у-1, МПа 400-430

Относительное удлинение д, % 8-10

Относительное сужение Ш, % 45-50

Ударная вязкость бН,кДж/м2 9

Сталь 40ХНМА -конструкционная хромоникельмолибденовая легированная сталь, содержащая 0,4% С, и менее 1% Cr, Ni и Mo. Стали марки 40ХНМА, предназначены для изготовления крупных деталей (коленчатые валы, муфты, промежуточные валы и др.) имеют следующий вид термообработки: закалка с последующим высоким отпуском.

Сталь 40ХНМА до термообработки имела структуру феррит-перлит, после термической обработки: закалки с последующим высоким отпуском сталь приняла структуру сорбита отпуска. При этом сталь стала обладать повышенной твердостью. Выбор данного метода термической обработки обусловлен тем, что высокий отпуск обеспечивает одновременно значительную пластичность конструкционной стали при повышенной. Никель обеспечивает необходимый запас вязкости, а в сочетании с хромом большую прокаливаемость, а его сочетание с молибденом сильно снижает порог хладноломкости, молибден также вводят для предотвращения явления отпускной хрупкости.

Механические свойства, в зависимости от температуры отпуска

Сталь 40ХНМА по сравнению со сталью 18ХНВА менее легирована, но содержит больше углерода и нечувствительна к отпускной хрупкости.

Сталь 18ХНВА применяется: в авиастроении, в цементованном состоянии для изготовления валов роторов, коленчатых валов, валов редукторов, шестерней) и в нецементованном виде ответственных болтов, шпилек и прочего специального крепежа.

Примечание

Сталь мартенситного класса, имеет хорошую прокаливемость и закаливается на мартенсит даже при больших сечениях заготовок. Цементация деталей проводится при температуре 900--920 °С. На диаграмме изотермического превращения аустенита стали 18ХНВА отсутствует зона перлито-троститного распада. Аустенит распадается или на игольчатый тростит, или на мартенсит. Смягчающей обработкой для этой стали является высокий отпуск при 650--670°. Структура после такой термической обработки --сорбит с карбидами.

Заключение

Детали выполняют ответственную работу, и для того чтобы производство или работа не встала, необходимо выбрать сталь и термическую обработку более подходящую для работы данного типа.

Коленчатые валы изготовляют из высококачественной углеродистой стали, Во время работы двигателя на коленчатый вал воздействуют очень большие изгибающие и закручивающие нагрузки, поэтому вал должен быть очень прочным. Для тяжело нагруженного вала лучше всего я рекомендую использовать сталь марки 20ХН3А. Для повышения прочности можно применять нормализацию или улучшение.

Список литературы

1. Материаловедение. Методы анализа, лабораторные работы и задачи. Геллер Ю.А., Рахштадт А.Г.М.: Металлургия, 1983, 384 с.

2. Технология конструкционных материалов: Учебник для студентов пед. ин-тов по спец. №2120 «Общетехн. дисциплины и труд.» / С.И. Алаи, П.М. Григорьев, А.Н. Ростовцев; Под общ. ред А.Н.Ростовцева. М.: Просвещение, 1986. 303 с.: ил.

3. Лахтин Ю.М., Леонтьева В.П. Материаловедение: Учебник для машиностроительных вузов. 2-е изд., перераб. и доп. М: Машиностроение. 1980. 493 с., ил.

4. Материаловедение: учеб. пособие для студ. высш. учеб. заведений / Г.И.Сильман. М.: Издательский центр «Академия», 2008. 336 с.

5. Материаловедение: учебник для студ. учреждений сред. проф. образования / О.С.Моряков. М.: Издательский центр «Академия», 2008. 240 с.

Размещено на Allbest.ru