Разработка технологического процесса термической, химико-термической, термомеханической обработки сталей и чугунов различного состава применительно к условиям работы заданных деталей машин и оборудования общемашиностроительных и нефтегазовой отраслей

Размещено на http://www.allbest.ru/

МИНОБРНАУКИ РОССИИ

РГУ нефти и газа (НИУ) имени И.М. Губкина

Факультет Инженерной механики

Кафедра Металловедения и неметаллических материалов

КУРСОВАЯ РАБОТА

по дисциплине «Материаловедение»

на тему «Разработка технологического процесса термической, химико-термической, термомеханической обработки сталей и чугунов различного состава применительно к условиям работы заданных деталей машин и оборудования общемашиностроительных и нефтегазовой отраслей промышленности»

Москва, 2021

Содержание

Введение

1. Материал коленчатого вала

2. Анализ выбранной стали

3. Создание заготовок

4. Термообработка

4.1 Закалка

4.2 Отпуск

4.3 Азотирование

Заключение

Список используемой литературы

Приложение А

Приложение Б

Введение

Коленчатый вал (рис. 1) представляет собой деталь сложной конфигурации или узел деталей, характерный для составного вала, оснащается консолями для фиксирования шатунов, служащих для передачи плоско-поступательного движения коленчатому валу, который трансформирует это движение во вращательное, передавая вращение трансмиссии и приводным приспособлениям.

Рис. 1 Внешний вид коленчатого вала

Коленчатый вал является составным элементом кривошипно-шатунного механизма.

Как правило, коленчатый вал состоит из нескольких металлических элементов (колен), которые располагаются на одной главной оси. Колена представляют собой крупные выступы сложной формы. Они отливаются одним целым вместе с валом.

Коленчатые валы необходимы для фиксации шатунов, на которые крепятся поршни. На валу кроме колена, также находятся и другие элементы - цилиндрические опорные проставки (шейки), они располагается между коленами, дающие возможность фиксировать вал внутри блока цилиндров.

1. Материал коленчатого вала

К материалу коленчатых валов предъявляются весьма высокие требования. Марку стали выбирают так, чтобы обеспечивались высокая пластичность и возможность закалки трущихся поверхностей. Преимуществом стальных валов является наивысшая прочность, возможность получения высокой твёрдости шеек азотированием. Чугунные валы дешевле. Коленчатые валы изготовляют из углеродистых, хромомарганцевых и хромоникельмолибденовых сталей [1]:

· Для валов стационарных, судовых и тепловозных двигателей чаще применяют стали 35, 40, 50, 35Г, 40Г, 45Г, 50Г и др.

· Валы быстроходных двигателей изготовляют из тех же сталей, а также из хромовых, хромоникелевых и хромомолибденовых (40Х, 40ХН, 35ХМ, 30ХН2МА, 18Х2Н4МА и др.).

· Для валов автомобильных и тракторных двигателей применяют стали 45, 45, 50Г, 40Х, 45Г2, 38ХГН, 40ХН2МА.

· Хромованадиевые, хромомолибденовые, хромоникелевые и хромоникельмолибденовые стали (30ХМА, 20ХНЗА, 38Х2МЮА, 40Х2Н2МА, 25Х2Н4МА, 38Х2МЮА и др.) служат для изготовления коленчатых валов быстроходных дизелей повышенной мощности различного назначения.

Для термообрабатываемых валов наибольшее применение находят стали марок 40, 40Х, 45, 45Х, 50Г, а в особо ответственных случаях для тяжело нагруженных валов - легированные стали марок 40ХН, 40ХНМА, 18ХНВА, 25ХГТ и др.

Выбираем 40ХНМА - конструкционная легированная (хромоникельмолибденовая) сталь.

2. Анализ выбранной стали

Химический состав стали 40ХНМА согласно ГОСТ 4543-71 представлен в таблице 1 [2].

Таблица 1

Химический состав стали 40ХНМА

Хром, никель и молибден являются важнейшими легирующими элементами сталей. Хром повышает способность сталей к термическому упрочнению, их стойкость к коррозии и окислению, а так же обеспечивает повышение прочности при повышенных температурах. Сложные хроможелезистые карбиды входят в твердый раствор аустенита очень медленно - поэтому при нагреве таких сталей под закалку требуется более длительная выдержка при температуре нагрева.

Никель в сталях является элементом, способствующим образованию и сохранению аустенита. Он увеличивает сопротивление коррозии хромоникелевых аустенитных сталей в неокисляющих кислотных растворах.

Молибден способен обеспечивать дополнительное термическое упрочнение в ходе отпуска закаленных сталей. Он повышает сопротивление сталей ползучести низколегированных при высоких температурах.

Технологические параметры стали 40ХНМА представлены в таблице 2 [2].

Таблица 2

Технологические параметры 40ХНМА

Температуры критических точек стали 40ХНМА представлены в таблице 3 [3].

Таблица 3

Температура критических точек

В зависимости от степени переохлаждения и механизма процесса различают три превращения аустенита: перлитное, мартенситное и промежуточное. Превращения протекают в соответствии с диаграммой изотермического распада переохлажденного аустенита, изображаемой в координатах «температура-время» (рис. 2) [4].

Рис.2 Диаграмма изотермического распада аустенита стали 40ХНМА

Механические свойства стали 40ХНМА представлены в таблице 4 [5].

Таблица 4

Механические свойства при Т=20^oС

Обозначения:

s_в - (Предел кратковременной прочности, [МПа]) - механическое напряжение, выше которого происходит разрушение материала.

s_T - (Предел пропорциональности, [МПа]) - максимальное механическое напряжение, при котором выполняется закон Гука.

d₅ - Относительное удлинение при разрыве, [%]

y - Относительное сужение, [%]

KCU - Ударная вязкость, [кДж / м2]

HB - Твердость по Бринеллю, [МПа]

3. Создание заготовок

В серийном и крупносерийном производствах заготовки валов получают горячей штамповкой. Штамповка заготовок включает в себя предварительную и окончательную штамповку, обрезку облоя на обрезном прессе, горячую правку в штампах подмолотом. Поковки коленчатых валов подвергают термической обработке для получения определенного качества материала.

4. Термообработка

Рассмотрим термообработку вала.

Для достижения необходимой твердости выбранной конструкционной стали марки 40ХНМА, предназначенной для изготовления крупных деталей (коленчатые валы, муфты, промежуточные валы и др.) подходит следующий вид термообработки: закалка с последующим высоким отпуском (рис. 3) [5]. Причем после термообработки целесообразно будет произвести один из видов химико-термической обработки - азотирование.

Рис. 3 Схема термической обработки

4.1 Закалка

Закалка -- термическая обработка, основанная на перекристаллизации структуры при нагреве до температуры выше критической; после достаточной выдержки при критической температуре для завершения термической обработки следует охлаждение со скоростью равной или выше критической. Закалка является основной операцией, формирующей структуру и свойства материала, которые, например, сталь должна иметь в эксплуатации.

Рассмотрим закалку 40ХНМА:

При нагреве до температуры 730С структура сплава остается постоянной - перлит. Как только пройдена точка А_с1 на границах зерен перлита начинает зарождаться аустенит. В нашем случае мы имеем полную закалку, т.к. температура превышает А_с3, то весь перлит переходит в аустенит. Таким образом, нагрев до 820С мы получили однофазную структуру - аустенит, при этом при повышении температуры после 800С зерно растет.

Для получения мартенситной структуры необходимо переохладить аустенит до температуры мартенситного превращения, следовательно, скорость охлаждения должна превышать критическую. Такое охлаждение наиболее просто осуществляется погружением закаливаемой детали в жидкую среду (вода или масло), имеющую температуру 20-25С. В результате такой обработки получается теплостойкий мартенсит, с некоторым количеством остаточного аустенита [6].

4.2 Отпуск

Отпуск -- термическая обработка стали, сплавов, проводимая после закалки для уменьшения или снятия остаточных напряжений, формирующая окончательную микроструктуру в стали и сплавах, повышающая вязкость, уменьшающая твердость и хрупкость металла.

Отпуск производится путем нагрева деталей, закаленных на мартенсит до температуры ниже критической. При этом в зависимости от температуры нагрева могут быть получены состояния мартенсита, троостита или сорбита отпуска. Эти состояния несколько отличаются от соответственных состояний после нормализации по структуре и свойствам.

Рассмотрим отпуск 40ХНМА:

40ХНМА подвергается отпуску при t = 620С - высокий отпуск. При этом надо учитывать, что при температурах отпуска более 500С охлаждение производят в воде.

При высоких нагревах в углеродистых сталях происходят изменения структуры, не связанные с фазовыми превращениями: изменяются форма, размер карбидов и структура феррита. Происходит коагуляция: кристаллы цементита укрупняются и приближаются к сферической форме. Изменения структуры феррита обнаруживаются, начиная с температуры 400С: уменьшается плотность дислокаций, устраняются границы между пластинчатыми кристаллами феррита (их форма приближается к равноосной). Снимается фазовый наклеп, возникший при мартенситном превращении. Ферритно-карбидную смесь, которая образуется после такого отпуска, называют сорбитом отпуска [7].

4.3 Азотирование

После термообработки целесообразно будет произвести один из видов химико-термической обработки - азотирование. Азотированием называется процесс насыщения поверхностного слоя азотом. Целью азотирования является создание поверхностного слоя с особо высокой твердостью, износостойкостью, повышенной усталостной прочностью и сопротивлением коррозии в водной среде, паровоздушной и влажной атмосфере. Процесс азотирования состоит в выдержке в течение довольно длительного времени (до 60 ч) деталей в атмосфере аммиака при 500 - 600 °С. При более высокой температуре образуются более крупные нитриды, и твердость уменьшается. Азотирование проводят в стальных, герметически закрытых ретортах, в которые поступает аммиак. Реторту помещают в нагревательную печь. Поступающий из баллонов аммиак при нагреве разлагается на азот и водород.

Активные атомы азота проникают в решетку железа и диффундируют в ней. Образующиеся при этом нитриды железа еще не обеспечивают достаточно высокой твердости. Высокую твердость азотированному слою придают нитриды легирующих элементов, прежде всего хрома, молибдена, алюминия. Благодаря высокой твердости нитридов легирующих элементов азотированию обычно подвергают легированные среднеуглеродистые стали. Азотированию обычно подвергают готовые изделия, прошедшие механическую и окончательную термическую обработку (закалку с высоким отпуском 600 - 675°С, температура которого выше максимальной температуры азотирования). До термообработки заданная имела структуру феррит + перлит. После такой термической обработки металл приобретает структуру сорбита, имеющую высокую прочность и вязкость. Эта структура сохраняется в сердцевине детали и после азотирования. Высокая прочность металлической основы необходима для того, чтобы тонкий и хрупкий азотированный слой не продавливался при работе детали. Высокая твердость азотирования достигается сразу и не требует последующей термической обработки. Это важное преимущество процесса азотирования (рис. 4) [8].

Рис. 4 График влияния температуры и продолжительности азотирования на твердость и толщину азотированного слоя

Заключение

сталь аустенит азотированный кривошипный

Для изготовления тяжело нагруженных коленчатых валов диаметром d (40, 60, 80) рекомендуется использовать сталь марки 40ХНМА по ГОСТ 4543-71. Её следует термообработать по режиму закалки с отпуском и азотировать, что позволит получить структуру сорбита и показатель механических свойств у_0.2 не ниже 750 МПа и в целом отвечает условиям задачи.

Графическая часть курсовой работы (чертеж коленчатого вала) и карта технологического процесса термообработки (№001) представлены в Приложении.

Список используемой литературы

Основная литература:

1. Солнцев Ю.П., Пряхин Е.И. Материаловедение. Учебник для вузов. СПб.: ХИМИЗДАТ, 2007. 784 с.

2. Арзамасов В.Б., Черепахин А.А. Материаловедение. Учебник. М.: Экзамен, 2009. 352 с.: ил.

3. Оськин В.А., Байкалова В.Н., Карпенков В.Ф. Практикум по материаловедению и технологии конструкционных материалов: Учебное пособие для вузов (под ред. Оськина В.А., Байкаловой В.Н.). М.: КолосС, 2007. 318 с.: ил.

4. Шмыков А.А.Справочник термиста: Издание второе / А.А. Шмыков. М.: Книга по Требованию, 2012. 290 с.ISBN 978-5-458-42195-9

5. Энциклопедический справочник термиста-технолога: В 3-ех томах. Т. 1. /С.Б. Масленков, А.И. Ляпунов, В.М. Зинченко и др., под ред. С.Б. Масленкова. Москва Наука и технологии, 2003. 392 с.

6. СТО Газпром 2-2.2-798-2014. Термообработка сварных соединений при строительстве и ремонте объектов ОАО "Газпромом" = стандарт организации / Разработан научно-исследоват. и проект. ин-том по строительству и эксплуатации объектов топливно-энергетического комплекса. Взамен / Введен 2015-02-18. Москва: ОАО "Газпром", 2015. V, 78 c.;

7. Материаловедение: образовательный ресурс. http://materialscience.ru/

8. Электронная библиотека. http://ww7.bookzz.org/ материаловедение.

Приложение А

Чертеж МД. 05.2021.КР.00.08 Коленчатый вал

Приложение Б

Карта технологического процесса термообработки коленчатого вала (чертеж МД. 05.2021.КР.01.08 Коленчатый вал)

Размещено на Allbest.ru