Разработка технологии азотирования коленчатого вала
Назначение коленчатых валов, их конструктивные особенности. Анализ процессов азотирования коленчатого вала с целью повышения высокой твердости, износостойкости, коррозионной стойкости и усталостной прочности. Структура диффузионного слоя при азотировании.
| Рубрика | Производство и технологии |
| Вид | курсовая работа |
| Язык | русский |
| Дата добавления | 26.12.2017 |
| Размер файла | 1,4 M |
Отправить свою хорошую работу в базу знаний просто. Используйте форму, расположенную ниже
Студенты, аспиранты, молодые ученые, использующие базу знаний в своей учебе и работе, будут вам очень благодарны.
31
Размещено на http://www.allbest.ru/
Содержание
- Реферат
- Введение
- 1. Анализ проблемы
- 1.1 Назначение и техническая характеристика коленчатого вала
- 1.2 Характеристика материала
- 2. Постановка задачи исследования
- 3. Обоснование и выбор химико-термической обработки
- 3.1 Структура диффузионного слоя при азотировании
- Литература
- Приложения
Реферат
Курсовая работа по курсу "Теория и технология химико-термической обработки" на тему "Разработка технологии азотирования коленчатого вала" Менделеева О.Л. Белорусский Национальный Технический Университет, - Минск, 2017 г.
С. - 28, табл. - 8, библ. - , рис. -
АЗОТИРОВАНИЕ, СТАЛЬ, КОЛЕНЧАТЫЙ ВАЛ
Целью данной курсовой работы является изучение процессов азотирования коленчатого вала с целью повышения высокой твердости, износостойкости, коррозионной стойкости и усталостной прочности.
Введение
Назначение коленчатых валов, условия работы, конструктивные особенности. Кривошипно-шатунный механизм компрессора, состоящий из коленчатого вала, шатуна, крейцкопфа или поршня, служит для преобразования вращательного движения коленчатого вала в возвратно-поступательное движение крейцкопфа или поршня, а также для передачи усилия с коленчатого вала на поршень цилиндра для производства работы - сжатия газов.
Коленчатый вал является наиболее нагруженной деталью компрессора, так как всю мощность от двигателя он передает шатунам и масляному насосу. Коленчатый вал во время работы испытывает переменные динамические нагрузки, поэтому он должен быть достаточно жестким, чтобы под действием рабочих нагрузок обеспечивать необходимую точность движения перемещающихся частей, обладать высоким сопротивлением усталости. Трущиеся поверхности коленчатого вала должны иметь высокую износостойкость.
Повышение надежности коленчатого вала с помощью упрочнения поверхностных слоев является важной частью изготовления данной детали, так как это помогает нам повысить износостойкость, твердость, усталостную прочность, коррозионную стойкость и соответственно долговечность детали, что очень важно. Достичь этого можно различными способами: изменением состава поверхностного слоя или же нанесением на поверхность нового материала. При изменении состава поверхностного слоя металл подвергают химико-термической обработке, в результате которой изменяется химический и фазовый состав, структура и свойства поверхностного слоя, что позволяет получить необходимые нам свойства.
1. Анализ проблемы
1.1 Назначение и техническая характеристика коленчатого вала
Коленчатый вал - это главный элемент двигателя автомобиля, являющийся частью кривошипно-шатунного механизма двигателя (УМЗ-417), который преобразует энергию сгорающих в цилиндрах двигателя газов в механическую энергию.
Главная задача коленчатого вала - преобразовать возвратно-поступательные движения поршней двигателя в крутящий момент, который через трансмис - сию передаётся на колёса автомобиля. Одной из основных технических характеристик коленчатого вала, как и всего двигателя, является радиус кривошипа. Это расстояние от осей коренных шеек (шейки, в которых вращается коленвал в цилиндровом блоке) к осям шатунных шеек (шейки, которые вращаются внутри большой головки шатуна). Удвоенный радиус кривошипа являет собой длину хода поршня, которая определяет объём цилиндров. Если изменить длину радиуса кривошипа при неизменном диаметре цилиндра, это приведёт к изменению объёма цилиндров. Эту зависимость часто используют, чтобы менять технические характеристики всего двигателя в определённом направлении. Подбирая соотношение длины хода поршня и диаметра цилиндра, двигатель можно сделать длиноходным (ход поршня превышает диаметр цилиндра) или короткоходным (диаметр цилиндра больше, чем ход поршня). Короткоходные двигатели дают возможность повысить мощность за счёт увеличения скорости вращения. А длиноходные двигатели более экономичны и обеспечивают высокий крутящий момент на низких оборотах. При изменении параметров коленчатого вала происходит изменение всех параметров двигателя, поэтому нужно быть предельно осторожным, тюнингуя свой автомобиль, так как технические характеристики часто меняются не в лучшую сторону.
1.2 Характеристика материала
Когда двигатель работает, на коленчатый вал действую сильные нагрузки. Его надёжность определяется конструкцией и материалом, из которого он изготовлен. Этот элемент двигателя, как правило, имеет цельную структуру. А потому материалы для него должны быть максимально прочными, потому что от прочности коленчатого вала будет зависеть работа всей системы. В качестве материалов для изготовления коленвалов используют углеродистую и легированную сталь либо чугун высокой прочности. Коленвал можно изготовить методом литья, методом ковки из стали или методом точения. Заготовки получают способом горячей штамповки или способом литья. Очень важно, как расположены волокна материалов в заготовках. Чтобы не допустить их перерезания в дальнейшей обработке, применяются гибочные ручьи. Когда заготовка готова, её дополнительно обрабатывают под высокой температурой и очищают от окалины (дробомётной машиной или методом травления).
Характеристика материала 40ХН2МА
Марка: 40ХН2МА
Химический состав в % стали 40ХН2МА
|
C |
Si |
Mn |
Ni |
S |
P |
Cr |
Mo |
Cu |
Fe |
|
|
0,37-0,44 |
0,17-0,37 |
0,5-0,8 |
1,25-1,65 |
до 0,025 |
до 0,025 |
0,6 - 0,9 |
0,15 - 0,25 |
до 0,3 |
~95 |
Режим термической обработки
Сталь 40ХН2МА - среднеуглеродистая легированная доэвтектоидная сталь.
Для данной стали оптимальным режимом термической обработки является закалка при 850С. Закаливание производят в воду, с последующим отпуском при 620С в масле.
Структурные изменения
Комплексную термическую обработку состоящую из полной закалки и высокого отпуска конструкционных сталей называют улучшением.
Сталь 40ХН2МА относится к сталям перлитного класса. Для нее характерны два критических температурных перехода: Ас1 = 730?С и Ас3 = 820?С. Доэвтектоидную сталь, как правило, подвергают полной закалке, при этом оптимальной температурой нагрева является температура Ас3 + (30-50?С). Такая температура обеспечивает получение при нагреве мелкозернистого аустенита и соответственно после охлаждения - мелкозернистого мартенсита. Зерна аустенита образуются на границе фаз феррита и цементита. При этом помимо растворения цементита в аустените происходит еще и аллотропное модифицирование раствора железа б в раствор железа г. Поскольку процесс растворения цементита происходит медленнее, нежели образование аустенитных кристаллов, то по достижению закалочных температур необходима некоторая выдержка.
При дальнейшем охлаждении в воде, благодаря очень высокой скорости охлаждения (превышающей Vкр) происходит образование структуры мелкозернистого мартенсита. Это не что иное, как пересыщенный твердый раствор углерода в железе б.
Поскольку мартенсит представляет собой очень твердую структуру, то как правило на поверхности закаленной детали образуются очень сильные остаточные напряжения. Это может привести к образованию трещин, сколов и прочих хрупких разрушений. Во избежании этого после закалки проводят процедуру отпуска. Именно после закалки и отпуска при 450-650?С. Исходная структура - мартенсит закалки, температура отпуска tотп = 450-650°C. При повышении температуры активизируется диффузия. Диффузия углерода при такой температуре достаточна для превращения мартенсита в перлитную структуру, но не достаточна для перемещения углерода на большие расстояния. В итоге образуется смесь феррита и цементита.
3 этапа отпуска:
1) Из мартенсита выделяется часть углерода в виде метастабильного е-карбида. Первое превращение идет с очень маленькой скоростью и без нагрева.
2) Продолжается распад мартенсита, распадается остаточный аустенит и начинается карбидное превращение. Распад мартенсита распространяется на весь объем. Начинается превращение е-карбида в цементит.
3) Завершаются распад мартенсита и карбидное превращение. Мартенсит переходит в феррит. Далее при дальнейшем нагреве ферритно-карбидная смесь меняет форму, размер карбидов и структуру феррита. Диффузия происходит интенсивнее, чем в случае среднетемпературного отпуска, атомы углерода смещаются на большее расстояние, увеличиваются размеры кристаллов феррита и цементита. Такая структура называется сорбит отпуска.
|
Прокаливаемость стали 40ХН2МА |
|||||||||||
|
Расстояние от торца, мм |
Примечание |
||||||||||
|
1,5 |
3 |
6 |
9 |
12 |
15 |
21 |
27 |
33 |
42 |
Закалка 840°С |
|
|
49-59,5 |
40,5-60 |
50-60 |
50-59,5 |
49-59 |
48-59 |
45-56 |
41,5-53 |
41-50,5 |
36,5-48,5 |
Твердость для полос прокаливаемости, HRC |
|
Количество мартенсита, % |
Критическая твердость, HRCэ |
Критический диаметр в воде |
Критический диаметр в масле |
|
|
50 90 |
44-47 49-53 |
153 137-150 |
114 100-114 |
Температура критических точек
Ac1 = 730, Ac3 (Acm) = 820, Ar3 (Arcm) = 550, Ar1 = 380, Mn = 320
|
Механические свойства стали 40ХН2МА |
||||||||||
|
ГОСТ |
Состояние поставки, режим термообработки |
Сечение, мм |
КП |
у0,2 (МПа) |
ув (МПа) |
д5 (%) |
ш % |
KCU (Дж /см2) |
НВ, не более |
|
|
ГОСТ 4543-71 |
Пруток. Закалка 850°С, масло. Отпуск 620°С, вода |
25 |
- |
930 |
1080 |
12 |
50 |
78 |
- |
|
|
Пруток. Закалка 850°С, масло. Отпуск 620°С, масло. |
25 |
- |
835 |
980 |
12 |
55 |
98 |
- |
||
|
ГОСТ 8479-70 |
Поковки. Закалка. Отпуск |
500-800 |
440 |
440 |
635 |
11 |
30 |
39 |
197-235 |
|
|
300-500 500-800 |
490 |
490 |
655 |
12 11 |
35 30 |
49 39 |
212-248 |
|||
|
100-300 300-500 |
540 |
540 |
685 |
13 12 |
40 35 |
49 44 |
223-362 |
|||
|
100-300 300-500 500-800 |
590 |
590 |
735 |
13 12 10 |
40 35 30 |
49 44 39 |
235-277 |
|||
|
100-300 300-500 |
640 |
640 |
785 |
12 11 |
38 33 |
49 44 |
248-293 |
|||
|
100-300 |
685 |
685 |
835 |
12 |
38 |
49 |
262-311 |
|||
|
До 100 100-300 |
735 |
735 |
880 |
13 12 |
40 35 |
59 49 |
277-321 |
|||
|
До 100 100-300 |
785 |
785 |
930 |
12 11 |
40 35 |
59 49 |
293-331 |
|||
|
Механические свойства стали 40ХН2МА в зависимости от температуры отпуска |
||||||||||
|
Температура отпуска,°С |
у0,2 (МПа) |
ув (МПа) |
д5 (%) |
ш % |
KCU (Дж / см2) |
HB |
||||
|
Закалка 850°С, масло |
||||||||||
|
200 300 400 500 600 |
1600 1470 1240 1080 860 |
1750 1600 1370 1170 960 |
10 10 12 15 20 |
50 50 52 59 62 |
59 49 59 88 147 |
525 475 420 350 275 |
|
Механические свойства стали 40ХН2МА при повышенных температурах |
||||||
|
Температура испытаний,°С |
у0,2 (МПа) |
ув (МПа) |
д5 (%) |
ш % |
KCU (Дж / см2) |
|
|
Закалка 850°С, масло. Отпуск 580°С. |
||||||
|
20 250 400 500 |
950 830 770 680 |
1070 1010 950 700 |
16 13 17 18 |
58 47 63 80 |
78 109 84 54 |
|
|
Образец диаметром 5 мм, длиной 25 мм, прокатанный. Скорость деформирования 2 мм/мин. Скорость деформации 0,001 1/с |
||||||
|
700 800 900 100 1100 1200 |
- |
185 89 50 35 24 14 |
17 66 69 75 72 62 |
32 90 90 90 90 90 |
- |
|
Предел выносливости стали 40ХН2МА |
||||
|
у-1, МПА |
?-1, МПА |
n |
Термообработка |
|
|
447 392 519 |
274 235 |
106 |
Сечение 100 мм. Закалка 850°C, масло. Отпуск 580°C, ув=880 МПа. Сечение 400 мм. Закалка 850°C, масло. Отпуск 610°C, ув=790 МПа, у0,2=880 МПа, ув=1080 МПа |
|
Механические свойства стали 40ХН2МА в зависимости от сечения |
||||||||
|
Сечение, мм |
Место вырезки образца |
у0,2 (МПа) |
ув (МПа) |
д4 (%) |
ш % |
KCU (Дж / см2) |
HRCЭ |
|
|
Пруток. Закалка 850°С, масло. Отпуск 620°С |
||||||||
|
40 60 80 100 120 |
Ц Ц 1/2R 1/2R 1/3R |
880 830 730 670 630 |
1030 980 880 850 830 |
14 16 17 19 20 |
57 60 61 61 62 |
118 127 127 127 127 |
33 32 29 26 25 |
|
|
Закалка 850°С, масло. Отпуск 540-660°С |
||||||||
|
до 16 16-40 40-100 100-160 160-250 |
Ц Ц Ц Ц Ц |
1000 900 800 700 650 |
1200-1400 1100-1300 1000-1200 900-1100 850-1000 |
9 10 11 12 12 |
- |
90 50 60 60 60 |
- |
коленчатый вал азотирование
2. Постановка задачи исследования
Исходя из условий эксплуатации и свойств материала нужно повысить износостойкость, твердость, коррозионную стойкость и усталостную прочность.
Толщина диффузионного слоя 0,4-0,7 мм.
Твердость поверхностного слоя более 700 HV.
Твердость сердцевины 270-300 HB.
Повысить срок службы коленчатого вала.
3. Обоснование и выбор химико-термической обработки
3.1 Структура диффузионного слоя при азотировании
Коленчатый вал - одна из наиболее ответственных, напряженных и дорогостоящих деталей двигателя. Силы, действующие на коленчатый вал вызывают трение и изнашивание его шеек и подшипников, усталостные разрушения в местах переходов шеек в щеки и в местах выводов масляных каналов, а также крутильные, изгибные, поперечные, осевые колебания. Коленчатый вал должен иметь достаточную прочность, жесткость, износостойкость, а вместе с тем относительно небольшую массу, надежность, высокую твердость поверхности, точность изготовления и обработки шеек коленвала, динамическую уравновешенность и отсутствие вибраций.
Для повышения важных характеристик коленчатого вала применяется азотирование. Азотированием называется ХТО, заключающаяся в диффузионном насыщении поверхностного слоя стали азотом при нагревании в соответствующей среде. Азотированию подвергают гильзы цилиндров двигателей внутреннего сгорания, детали арматуры турбин и целый ряд других деталей, работающих на износ при повышенных температурах в агрессивных средах. Твердость азотированного слоя стали выше, чем цементованного, и сохраняется при нагреве до высоких температур (450-500°С), тогда как твердость цементованного слоя, имеющего мартенситную структуру, сохраняется только до 200-225°С.
При азотировании, как и при поверхностной закалке, благодаря увеличению удельного объема стали в поверхностном слое возникают большие внутренние сжимающие напряжения. Они способствуют снижению растягивающих напряжений от внешней нагрузки при работе детали. В результате выносливость детали, т.е. способность выдерживать большое число повторных нагрузок, повышается.
Процесс азотирования имеет также и некоторые технологические преимущества перед цементацией: после азотирования не требуется закалка, температура процесса на 350-400°С ниже, чем при цементации. В результате коробление деталей при азотировании получается меньшим.
Серьезным недостатком азотирования является большая длительность этого процесса. Цикл азотирования длится до двух суток. К тому же для азотирования приходится применять дорогие легированные стали, и потому азотированные детали получаются в 2-3 раза дороже, чем обычные.
Высокая твердость азотированного слоя объясняется тем, что азот, проникая в поверхность металла, образует химические соединения с элементами, входящими в состав стали, - алюминием, хромом, молибденом и др. Такие соединения называют нитридами. Они имеют высокую твердость, а главное - выделяются в виде очень мелкодисперсных частиц. Как всегда в таких случаях, атомная решетка вокруг мест их выделений искажается, и в результате возникают многочисленные препятствия для перемещения дислокаций.
Азотирование чаще проводят при 500-600°С (низкотемпературное азотирование). Стали ферритного и аустеншного классов и тугоплавкие металлы (Ti, Mo и др.) подвергают высокотемпературному азотированию (600-1200°С). Наиболее распространено газовое азотирование. Его обычно проводят в герметических камерах (ретортах), куда поступает с определенной скоростью аммиак, диссоциирующий по реакции NH3 > N + 3/2Н2. Для снижения хрупкости и экономии аммиака рекомендуется азотирование в аммиаке, разбавленном азотом. Выделяющийся атомарный азот адсорбируется поверхностью металла и диффундирует в его кристаллическую решетку, образуя различные азотистые фазы. В сплавах железа с азотом образуются следующие фазы: д-фаза - твердый раствор азота в б-железе; г-фаза - азотистый аустенит, который образуется при температуре выше эвтектоидной (591°С); г'-фаза - твердый раствор на основе нитрида железа Fe4N (5,7-6,1% N); в-фаза - твердый раствор на основе нитрида Fe 2-3N (8,0-11,2% N).
Следовательно, в случае азотирования при температуре ниже эвтектоидной диффузионный слой состоит из трех слоев: е + г' + д. Носителем твердости является нижний д-слой (вследствие выделения дисперсных нитридов); г'-слой очень тонок, часто даже не обнаруживается, а s-слой непрочный и хрупкий.
В случае азотирования при температуре выше эвтектоидной, например 650°С, слой при этой температуре состоит из следующих фаз: е + г' + г + д. При медленном охлаждении азотистый г-аустенит распадается на эвтектоид: г > б + г', а при быстром охлаждении претерпевает мартенситное превращение. В этом случае максимальной твердости отвечает мартенситный подслой.
При азотировании легированных сталей образуются легированные е - и г-фазы. Легирующие элементы W, Mo, Cr, Ti, V, будучи растворены в феррите, повышают растворимость азота в б-фазе и образуют специальные нитриды MeN, Me2N (VN, TiN, Cr2N и др.). Выделяясь в мелкодисперсном состоянии, эти нитриды способствуют повышению твердости азотированного слоя.
В последние годы получило применение азотирование с добавками углеродсодержащих газов, которое проводят при 570°С в течение 1,5-3,0 ч в атмосфере, содержащей 50% (об.) эндогаза и 50% (об.) аммиака. В результате такой обработки образуется карбонитридная (Fe,M) 2-3 (N,C) зона толщиной 7-25 мкм, обладающая меньшей хрупкостью и более высокой износостойкостью, чем чисто азотистая е-фаза (Fe,M) 2_3N. Твердость карбонитридного слоя на легированных сталях HV 600-1100. Общая толщина слоя 0,15-0,5 мм.
Вывод: Коленчатые валы различных двигателей по служебному назначению предназначены для преобразования поступательного движения штоков поршней во “вращательное”. По конструкции валы являются относительно не жесткой деталью, в тоже время испытывают большие переменные нагрузки и подвергаются под воздействием возникающих в работе сил кручению и изгибу.
В ходе работы установлено что процесс газового азотирования является эффективным методом поверхностного упрочнения коленчатого вала, так как в процессе азотирования практически не применяются размеры и форма детали, а азотированный слой имеет высокие показатели твердости и износостойкости. После проведения ХТО повышается твердость, износостойкость, коррозионная стойкость и усталостная прочность коленчатого вала, что удовлетворяет требованиям для работы в двигателях автомобилей.
Экспериментальная часть
Азотирование проводим на образцах размером 15х10х55 мм, изготовленных из стали 40ХН2МА (ГОСТ 4543-71), в атмосфере частично диссоциированного аммиака. Азотирование проводится в печи США 8.12/6 при температуре 520ЃЋ, время выдержки 1280 минут.
Описание результатов:
1) Толщина диффузионного слоя 0,4 мм.
2) Поверхностная твердость более 700 HV.
3) Азотированная поверхность имеет однотонный цвет без пятен.
4) Диффузионный слой после азотирования при температурах ниже эвтектоидной состоит из очень тонкой зоны е-фазы, за которой следует зона г'-фазы и диффузионного подслоя, состоящего из б и г'-фаз, а также карбидов и нитридов Me2N, Me3C, MeN.
5) Испытания на износ, проведенные в условиях трения-скольжения со смазкой и без нее, показали, что азотированный слой стали 40ХН2МА обладает требуемой износостойкостью.
Вывод: Из результатов экспериментальной части видно, что коленчатый вал, изготовленный из стали 40ХН2МА и подвергнутый процессу газового азотирования, удовлетворяет требованиям, предъявляемым к данному виду деталей.
Литература
1. Ворошнин Л.Г., Менделеева О.Л., Сметкин В.А. Учебное пособие "Теория и технология химико-термической обработки", Москва, "Новое знание", 2010.
2. Башнин Ю.А. "Технология термической обработки стали". Учебник для вузов. М.: Металлургия.
3. Прокат из легированной конструкционной стали: ГОСТ 4543-71. - М.: Издательство стандартов, 1971.
Приложения
Приложение 1
Приложение 2
|
РОССИЙСКАЯ ФЕДЕРАЦИЯ ФЕДЕРАЛЬНАЯ СЛУЖБА ПО ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ СОБСТВЕННОСТИ (51) МПК B23P 6/00 (2006.01) B23H 1/00 (2006.01) F02B 77/02 (2006.01) |
(19) RU (11) 2 487 002 (13) C2 |
|
(12) ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ К ПАТЕНТУ
|
Статус: Пошлина: |
прекратил действие, но может быть восстановлен (последнее изменение статуса: 27.07.2015) учтена за 3 год с 04.10.2013 по 03.10.2014 |
|
(21) (22) Заявка: 2011140101/02, 03.10.2011 (24) Дата начала отсчета срока действия патента: 03.10.2011 Приоритет (ы): (22) Дата подачи заявки: 03.10.2011 (43) Дата публикации заявки: 10.04.2013 Бюл. № 10 (45) Опубликовано: 10.07.2013 Бюл. № 19 (56) Список документов, цитированных в отчете о поиске: RU 2158191 C1, 27.10.2000.ru 2231565 C2, 27.06.2004.ru 2064854 C1, 10.08.1996.ru 2107598 C1, 27.03.1998. CN 1428453 A, 09.07.2003. US 20090056096 A1, 05.03.2009. Адрес для переписки: 423810, Республика Татарстан, г. Набережные Челны, пр. Мира, 68/19, ФГБОУ ВПО "Камская государственная инженерно-экономическая академия" (ИНЭКА), патентное бюро |
(72) Автор (ы): Шибаков Владимир Георгиевич (RU), Галиев Рафис Кашфелович (RU), Хабибуллин Рифат Габдулхакович (RU), Кулаков Александр Тихонович (RU), Денисов Александр Сергеевич (RU), Гафиятуллин Асхат Асадуллович (RU) (73) Патентообладатель (и): Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Камская государственная инженерно-экономическая академия" (ИНЭКА) (RU) |
(54) СПОСОБ РЕМОНТА УПРОЧНЕННЫХ АЗОТИРОВАНИЕМ ШЕЕК КОЛЕНЧАТЫХ ВАЛОВДВИГАТЕЛЕЙ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ
(57) Реферат:
Изобретение относится к технологии ремонта деталей, в частности коленчатыхвалов двигателей внутреннего сгорания. Проводят обработку детали в установленные ремонтные размеры, предварительно проводят снятие с шейки материала оставшегося упрочненного азотированием слоя с помощью электроэрозионной обработки на глубину 0,4 мм. Затем проводят закалку шейки током высокой частоты, шлифовку в ремонтный размер и полирование шейки. Обеспечивается возможность получения необходимой твердости шеек коленчатого вала и увеличивается их срок службы.3 ил.
Изобретение относится к технологии ремонта деталей, в частности коленчатых валов двигателей внутреннего сгорания (ДВС).
Изобретение относится к области электроэрозионной обработки металлов и может быть использовано при ремонте упрочненных азотированием шеек коленчатых валов ДВС (фиг.1).
Техническим результатом изобретения является обеспечение возможности получения необходимой твердости шеек коленчатого вала после снятия с них упрочненного азотированного слоя для проведения дальнейшей закалки ТВЧ и механической обработки.
Известен способ ремонта шеек коленчатого вала с применением накладок (патент механической обработки и пайки кольцевых ленточных накладок (патент RU 2074802 C1, 10.03.1997, B23P 6/00), заключающийся в том, что на изношенную поверхность шейки устанавливают основную кольцевую ленточную накладку с нанесены на ее внутреннюю поверхность пастообразным припоем и фиксируют ее на шейке контактно-точечной импульсной пайкой, после чего на наружной стороне поверхности основной накладки последовательно размещают по меньшей мере одну дополнительную кольцевую ленточную накладку с пастообразным припоем на внутренней поверхности, фиксируемую контактно-импульсной пайкой, причем сумму толщин основной и дополнительной накладок выбирают из условия доведения диаметра изношенной шейки до номинального размера, используют основную и дополнительные накладки, толщина каждой из которых по меньшей мере равна глубине зоны термического влияния на шейку вала при пайке, а перед установкой каждой последующей накладки наружную поверхность предыдущей подвергают механической обработке.
Недостатками такого способа ремонта являются высокая трудоемкость, вызванная необходимостью изготовления нескольких ленточных накладок, их неоднократной пайкой и механической обработкой, а также высокая концентрация напряжений в местах изменения сечений, приводящая к снижению прочности коленчатого вала. Кроме того, пайка не обеспечивает необходимой надежности и долговечности.
Наиболее близким к заявленному изобретению по совокупности признаков является способ ремонта упрочненных индукционной закалкой (ТВЧ) коленчатых валов двигателей внутреннего сгорания, включающий шлифовку шеек на установленные ремонтные размеры с последующей финишной обработкой, например суперфинишированием или полировкой и др. (см. Чернышов Г.Д., Созинов Г.И., Кротов В.М., Бесчастнов В.А. "Ремонт двигателей ЯМЗ", Москва, Транспорт, 1974, с.21-30).
Недостатком такого способа ремонта применительно к шейкам, упрочненным азотированием, является снижение допустимого уменьшения размера упрочненных ионным азотированием шеек от номинального до ремонтного размера, не превышающего 0,4 мм (на сторону), из-за резкого уменьшения твердости (кривая 3, фиг.2), износостойкости и прочности шеек коленчатых валов вследствие утоньшения, вплоть до полной выборки, упрочненного слоя после перешлифовки, что не позволяет, как в прототипе, значительную часть коленчатых валов восстановить перешлифовкой в ремонтные размеры. Ремонт шлифовкой в первый ремонтный размер 0,25 мм на сторону возможен только на шейках, не имеющих задиров, забоин, прижогов и при отсутствии изгиба, и скручивания коленчатого вала. Для основной массы шеек при ремонте ДВС применяются последующие ремонтные размеры с шлифовкой 0,5 мм, 0,75 мм, 1,0 мм на сторону, для которых имеются соответствующие ремонтные вкладыши. При этом требуется производить повторно термообработку или наплавку шеек, дающие необходимую твердость. Но это неприменимо для шеек, упрочненных азотированием из-за того, что повторная индукционная закалка или наплавка технологически невозможна на азотированном слое. Требуется удаление азотированного слоя, а процесс снятия азотированного слоя посредством шлифовки является трудоемким и требует расхода большого количества шлифовальных кругов.
Заявленное изобретение направлено на решение задачи продления срока службы коленчатых валов при обеспечении высокой надежности.
Технический результат изобретения достигается тем, что поверхности шеек коленчатого вала подвергают электроэрозионной обработке (фиг.3) для снятия оставшегося упрочненного азотированием слоя на глубину азотированного слоя, затем поверхности шеек вала упрочняют индукционной закалкой током высокой частоты (ТВЧ), перешлифовывают и полируют в ремонтный размер. Это обеспечивает отсутствие появления дефектов шеек коленчатых валов при закалке ТВЧ: трещин, отслоений, пузырений. Последующая шлифовка поверхностей шеек на установленный ремонтный размер позволяет восстанавливать до 80% коленчатых валов с задирами шеек.
Использование предложенного способа ремонта азотированных коленчатых валов двигателей КамАЗ предлагается следующим образом. Коленчатый вал изготовлен из стали 42 ХМФА. Химический состав в %: углерод 0,40-0,45; ванадий 0,08-0,12; марганец 0,5-8; кремний 0,17-0,37; хром 1,0-1,3; молибден 0,35-0,45, остальное - железо. Процесс азотирования осуществляется по всей поверхности коленчатого вала объемным методом. Глубина упрочненного азотированного слоя у шатунных и коренных шеек составляет не более 0,4 мм.
Предлагается производить ремонт упрочненных азотированием шеек коленчатых валов удалением азотированного слоя электроэрозионной обработкой с последующей закалкой током высокой частоты (ТВЧ), шлифованием и полированием.
Описанный способ ремонта шеек коленчатых валов повышает долговечность путем создания необходимой твердости шеек за счет обеспечения возможности применения известного и доступного способа закалки ТВЧ по ранее упрочненным азотированном шейкам.
Формула изобретения
Способ ремонта упрочненной азотированием шейки коленчатого вала двигателя внутреннего сгорания, включающий обработку в установленные ремонтные размеры, отличающийся тем, что предварительно проводят снятие с шейки материала оставшегося упрочненного азотированием слоя с помощью электроэрозионной обработки на глубину 0,4 мм, после которой проводят закалку шейки током высокой частоты, шлифовку в ремонтный размер и полирование шейки.
|
РОССИЙСКАЯ ФЕДЕРАЦИЯ ФЕДЕРАЛЬНАЯ СЛУЖБА ПО ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ СОБСТВЕННОСТИ, ПАТЕНТАМ И ТОВАРНЫМ ЗНАКАМ (51) МПК B23P 6/00 (2000.01) B60S 5/00 (2000.01) |
(19) RU (11) 2 158 191 (13) C1 |
|
(12) ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ К ПАТЕНТУ
|
Статус: Пошлина: |
действует (последнее изменение статуса: 07.06.2017) учтена за 19 год с 23.07.2017 по 22.07.2018 |
|
(21) (22) Заявка: 99116155/02, 22.07.1999 (24) Дата начала отсчета срока действия патента: 22.07.1999 (45) Опубликовано: 27.10.2000 Бюл. № 30 (56) Список документов, цитированных в отчете о поиске: Ремонт двигателей ЯМЗ. - М.: Транспорт, 1974, с.21, 30. SU 1722765 А1, 30.03.1992. SU 1636168 А1, 23.03.1991. SU 1576264 А1, 07.07.1990. SU 1456294 А1, 07.02.1989. US 3419949, 07.01.1969. DE 2605841 А1, 19.08.1976. Адрес для переписки: 423808, Республика Татарстан, г. Набережные Челны, пр-т Мусы Джалиля 29, ОАО "КамАЗ", Главному специалисту по патентно-лицензионной работе Сунагатову |
(71) Заявитель (и): Открытое акционерное общество "КАМАЗ" (72) Автор (ы): Светличный Н. И., Аюкин З. А., Ищенко В. И., Леонов С. М. (73) Патентообладатель (и): Открытое акционерное общество "КАМАЗ" |
(54) СПОСОБ РЕМОНТА УПРОЧНЕННЫХ ИНДУКЦИОННОЙ ЗАКАЛКОЙ КОЛЕНЧАТЫХ ВАЛОВ ДВИГАТЕЛЕЙ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ
(57) Реферат:
Изобретение относится к ремонтному производству и может быть использовано при ремонте коленчатых валов двигателей внутреннего сгорания, например, автомобилей КАМАЗ. Коленчатые валы подвергают отпуску для обеспечения перехода материала упрочненного индукционной закалкой слоя в состояние основной структуры и снятия остаточных внутренних напряжений. Затем шейки валов шлифуют на ремонтные размеры, после чего валы упрочняют азотированием или карбонитрированием. После упрочнения шейки валов подвергают финишной обработке. В результате обеспечивается возможность продлить срок службы коленчатых валов при обеспечении высокой надежности.
Изобретение относится к машиностроению и может быть использовано при ремонте упрочненных индукционной закалкой коленчатых валов двигателей внутреннего сгорания (ДВС). В частности, предлагаемый способ ремонта может быть использован при ремонте коленчатых валов двигателей КАМАЗ.
Известна конструкция коленчатого вала, у которого на шейке по всей ее длине выполнен паз, в который уложена вставка, имеющая форму полуцилиндра. При этом шейка коленчатого вала и вставка по всей их длине охвачены разрезной втулкой, концы которой соединены со вставкой и между собой посредством сварных швов. При ремонте коленчатых валов замене подлежат только разрезные втулки и вставки.
Недостатком такого решения является высокая трудоемкость, вызванная необходимостью изготовления разрезных втулок, выполнением паза на шейке вала, а также высокая концентрация напряжений и местах изменения сечений и в сварных швах, приводящая к снижению прочности коленчатого вала (SU 1812353 A1, 30.04.1993, F 16 С 3/06).
Известен также способ ремонта шеек коленчатого вала, заключающийся в том, что производят исправление геометрии изношенной шейки путем ее механической обработки до выведения следов износа. Затем на подготовленную поверхность шейки устанавливают кольцевую ленточную накладку, на внутреннюю поверхность которой нанесен слой пастообразного припоя. Накладка фиксируется с помощью контактно-точечной импульсной пайки. Затем на поверхность накладки, которую предварительно обрабатывают для снятия неровностей, устанавливают дополнительную кольцевую ленточную накладку с пастообразным припоем на внутренней поверхности. После установки этой накладки ее фиксируют контактно - точечной импульсной пайкой. При необходимости может быть использовано несколько дополнительных кольцевых ленточных накладок, причем суммарную толщину основной и дополнительной накладок выбирают из условия доведения диаметра изношенной шейки до номинального размера (RU 2074802 С1, 10.03.1997, B 23 P 6/00).
Недостатками такого способа ремонта являются высокая трудоемкость, вызванная необходимостью изготовления нескольких ленточных накладок со слоем припоя, их неоднократной пайкой и механической обработкой, а также высокая концентрация напряжений в местах изменения сечений и в местах пайки, приводящая к снижению прочности коленчатого вала. Кроме того, пайка не является надежным способом фиксации и для высокофорсированных дизельных двигателей не обеспечивает необходимой надежности и долговечности.
Наиболее близким к заявленному изобретению по совокупности признаков является способ ремонта упрочненных индукционной закалкой коленчатых валов двигателей внутреннего сгорания, включающий шлифовку шеек на установленные ремонтные размеры с последующей финишной обработкой, например суперфинишированием или полировкой и др. (см. Ремонт двигателей ЯМЗ, Москва, Транспорт, 1974, с.21,30).
К причинам, препятствующим достижению указанного ниже технического результата при использовании известного способа ремонта коленчатых валов ДВС, принятого за прототип, относится то, что при ремонте известным способом максимальный перепад по диаметру шеек номинального и ремонтного размера не превышает 2 мм из-за резкого уменьшения износостойкости и прочности коленчатых валов, что не позволяет значительную часть коленчатых валов восстановить перешлифовкой, и они отправляются в металлолом.
Заявленное изобретение направлено на решение задачи продления срока службы коленчатых валов при обеспечении высокой надежности.
Данный технический результат достигается тем, что в известном способе ремонта упрочненных индукционной закалкой коленчатых валов двигателей внутреннего сгорания, включающем шлифовку шеек на ремонтные размеры с последующей финишной обработкой, перед шлифовкой шеек коленчатые валы подвергают отпуску для обеспечения перехода материала оставшегося упрочненного индукционной закалкой слоя в состояние основной структуры и снятия остаточных внутренних напряжений, а после шлифовки шеек валы упрочняют азотированием или карбонитрированием.
Отпуск коленчатых валов перед шлифовкой шеек обеспечивает исключение появления на коленчатых валах трещин и установленные допуски на размеры.
Максимальный перепад номинального и ремонтного размера по диаметру шеек увеличивается, как минимум, в два раза за счет упрочнения коленчатого вала после перешлифовки шеек на установленный размер азотированием или карбонитрированием. Прочность коленчатых валов повышается, как минимум, на 50%.
Способ ремонта упрочненных индукционной закалкой коленчатых валов осуществляют следующим образом: коленчатый вал, подлежащий восстановлению, сначала подвергают отпуску, обеспечивающему переход оставшегося упрочненного индукционной закалкой слоя в состояние основной структуры и снятие остаточных внутренних напряжений, затем шейки вала шлифуют на установленные ремонтные размеры, после чего вал упрочняют азотированием или карбонитрированием и подвергают финишной обработке (суперфинишированием, полировкой и др.).
Пример конкретного выполнения способа.
Были проведены работы по восстановлению коленчатого вала автомобиля КАМАЗ, имеющего повышенный износ шеек, повышенную деформацию, натиры и задиры по шейкам. Коленчатый вал изготовлен из стали 42 ХМФА следующего химического состава, %: углерод 0,40 - 0,45; ванадий 0,08 - 0,12; марганец 0,50 - 0,80; кремний 0,17 - 0,37; хром 1,0 - 1,3; молибден 0,35 - 0,45; глубина упрочненного индукционной закалкой слоя составляет 2-4 мм.
Сначала коленчатый вал подвергают отпуску, обеспечивающему переход оставшегося упрочненного индукционной закалкой слоя в состояние основной структуры и снятие внутренних напряжений, затем шлифуют на установленные ремонтные размеры. После шлифовки коленчатый вал упрочняют азотированием или карбонитрированием на глубину 0,25 - 0,7 мм с твердостью HV ? 600 и затем подвергают финишной обработке суперфинишированием и полированием.
На автомобили КАМАЗ такие коленчатые валы устанавливают в комплекте с ремонтными вкладышами. Коленчатые валы с максимальным перепадом между номинальным и ремонтным размером имеют износостойкость и прочность на уровне, обеспечивающем надежную работу двигателей.
Заявляемый способ можно реализовать в условиях современного производства с использованием стандартного оборудования.
Формула изобретения
Способ ремонта упрочненных индукционной закалкой коленчатых валов двигателей внутреннего сгорания, включающий шлифовку шеек на ремонтные размеры с последующей финишной обработкой, отличающийся тем, что перед шлифовкой шеек коленчатые валы подвергают отпуску для обеспечения перехода материала оставшегося упрочненного индукционной закалкой слоя в состояние основной структуры и снятия остаточных внутренних напряжений, а после шлифовки шеек валы упрочняют азотированием или карбонитрированием.
Размещено на Allbest.ru
...Подобные документы
Назначение ступицы шкива коленчатого вала и анализ технологического процесса ее изготовления. Анализ условия работы ступицы шкива коленчатого вала, видов и процессов ее изнашивания. Анализ дефекта детали и технологических способов восстановления.
курсовая работа [172,1 K], добавлен 26.12.2011Обоснование размера производственной партии. Выбор способа восстановления дефектов коленчатого вала автомобиля ЗИЛ-131. Схемы технологических процессов. Определение припусков на обработку, годовой трудоёмкости. Оборудование и приспособления участка.
курсовая работа [35,2 K], добавлен 25.09.2013Описание возможных дефектов работы коленчатого вала. Особенности наиболее рациональных способов восстановления дефектов. Разработка схемы и методики технологического процесса восстановления детали. Определение норм времени на выполнение операции.
контрольная работа [144,7 K], добавлен 23.01.2014Условия работы, нагрузки коленчатых валов, природа усталостных разрушений. Виды повреждений и причины отказа, дефекты коленчатых валов судовых дизелей. Технологические методы восстановления и повышения износа. Определение просадки и упругого прогиба вала.
дипломная работа [3,2 M], добавлен 27.07.2015Виды износа коленчатого вала, анализ вариантов восстановления. Использование процесса напыления. Обработка упрочненных поверхностей. Расчет годовой трудоемкости участка, затрат на заработную плату. Безопасность труда при проведении наплавочных работ.
дипломная работа [3,4 M], добавлен 20.10.2014Экспериментальное изучение реакции азотирования алюминия для получения нитрида алюминия. Свойства, структура и применение нитрида алюминия. Установка для исследования реакции азотирования алюминия. Результаты синтеза и анализ полученных продуктов.
дипломная работа [1,1 M], добавлен 12.02.2015Анализ базового технологического процесса и направления проектирования коленчатого вала четырехцилиндрового двигателя. Выбор метода получения заготовки и его техническое обоснование. Расчет межоперационных припусков, допусков и размеров заготовки.
курсовая работа [781,9 K], добавлен 18.06.2021Составление расчетной схемы вала. Приведение сил, действующих на зубчатые колеса, к геометрической оси вала. Построение эпюр внутренних силовых факторов. Определение запаса усталостной прочности вала. Проверка жесткости. Расчет крутильных колебаний.
контрольная работа [155,2 K], добавлен 14.03.2012Построение расчетной схемы вала и эпюр внутренних силовых факторов. Расчет диаметра вала и его прогибов в местах установки колес; расчет на изгибную жесткость. Выбор типа соединения в опасном сечении вала. Расчет коэффициента запаса усталостной прочности.
дипломная работа [505,9 K], добавлен 26.01.2014Определение статистической вероятности безотказной работы устройства. Расчет средней наработки до отказа топливных форсунок. Изучение зависимости от пробега автомобиля математического ожидания износа шатунных шеек коленчатого вала и дисперсии износа.
контрольная работа [211,1 K], добавлен 26.02.2015Служебное назначение и требование к точности коленчатых валов. Материал и способы получения заготовок для коленчатых валов. Механическая обработка коленчатых валов. Токарная обработка коренных шатунных шеек. Обработка внутренних плоскостей и смазочных кан
реферат [16,5 K], добавлен 07.11.2004Ориентировочное определение диаметра выходного конца вала. Диаметр промежуточного вала. Коэффициент запаса прочности по нормальным напряжениям. Предел выносливости стали при симметричном цикле изгиба. Шлицевые участки вала. Неподвижные посадки деталей.
контрольная работа [444,2 K], добавлен 07.02.2012Расчет зубчатых и цепных передач, закрытой цилиндрической передачи и предварительных диаметров валов привода. Подбор подшипников для выходного вала редуктора. Расчет выходного вала редуктора на прочность. Проверка прочности шпоночного соединения.
курсовая работа [185,8 K], добавлен 01.03.2009Механические свойства металлов, основные методы их определения. Технологические особенности азотирования стали. Примеры деталей машин и механизмов, подвергающихся азотированию. Физико-химические свойства автомобильных бензинов. Марки пластичных смазок.
контрольная работа [1,1 M], добавлен 25.09.2013Назначение вала, рабочий чертеж детали, механические свойства и химический состав стали. Анализ технологичности конструкции вала, определение типа производства. Разработка и анализ двух вариантов маршрутных технологических процессов изготовления детали.
курсовая работа [925,1 K], добавлен 28.05.2012Понятие автомобиля, его сущность и особенности внутреннего устройства. Классификация автомобильных двигателей, их виды и характеристика. Назначение, состав, устройство и условия работы кривошипно-шатунного механизма. Основные дефекты и их устранение.
курсовая работа [410,2 K], добавлен 02.04.2009Служебное назначение вала и технические требования, предъявляемые к нему. Анализ технологичности конструкции детали. Обоснование способа получения заготовки. Разработка маршрутной технологии обработки детали. Проектирование операционной технологии.
дипломная работа [338,9 K], добавлен 24.01.2016Проект реконструкции СПАТП-4 в г. Саратова, его назначение и краткая характеристика. Корректирование нормативных значений исходных данных. Расчет годовой производственной программы по количеству воздействий. Выбор технологического оборудования.
курсовая работа [2,6 M], добавлен 29.11.2009Выбор электродвигателя. Кинематический расчет привода. Расчет зубчатых колес редуктора. Предварительный расчет валов. Выбор подшипников. Конструктивные размеры вала шестерни, ведомого вала и зубчатого колеса. Конструктивные размеры корпуса редуктора.
курсовая работа [614,5 K], добавлен 13.04.2015Структура и состав парка машин и оборудования ремонтной мастерской. Расчет объема работ по ТО и текущему ремонту. Расчет персонала, подбор оборудования. Назначение и условия работы коленчатого вала, дефекты. Рациональные способы восстановления детали.
дипломная работа [179,0 K], добавлен 10.09.2016
