Разработка техпроцесса термической обработки (вариант закреплен)

Введение
Термической обработкой (далее ТО) называется процесс обработки изделия из металлов и сплавов путем теплового воздействия с целью изменения их структуры и свойств в заданном направлении. Это взаимодействие может сочетаться также с химическим, деформационным, магнитным и другими взаимодействиями.
ТО – самый распространенный в современной технике способ изменения свойств металлов и сплавов. На металлургических и машиностроительных заводах термообработка является одной из важнейших частей технологического процесса производства полуфабрикатов и деталей машин. ТО применяют как промежуточную операцию для улучшения технологических свойств (обрабатываемость давлением, резкой и др.) и как завершающую операцию для предоставления металла или сплава такого комплекса механических, физических и химических свойств, обеспечивающего необходимыми эксплуатационными характеристиками изделие. Чем ответственнее конструкция, тем, как правило, больше в ней термически обрабатываемых деталей. При нагревании и охлаждении изменяется структура металлического материала, что обусловлено изменением механических, физических и химических свойств и влияет на поведение при обработке и эксплуатации.
Коленчатый вал принадлежит к наиболее ответственным и дорогостоящим деталям двигателя. Коленчатый вал двигателя должен обладать высокой прочностью, жесткостью и износостойкостью трущихся поверхностей (шеек) при относительно небольшой массе (масса вала составляет 7-15% массы двигателя).
Задание : Завод делает коленчатые валы диаметром 65мм, сталь в готовом виде имеет предел текучести не ниже 700МПа и ударную вязкость не ниже 500кДж/м2 . Также повышенная износостойкость в шейках коленвала(участки с подшипниками). Привести марку стали, режим ТО всего вала, оборудование для процесса. Привести структуру и механические свойства.
 
1. Выбор материала и способ получения заготовки
Коленчатый вал (далее коленвал) — вал сложной формы, предназначенный для превращения возвратно-постепенного движения во вращательное. Работает в условиях высокого уровня знакообразных напряжений от изгиба или крутильных колебаний вала. Он испытывает значительные усилия давления, от сил инерции поступательно и вращательно движущихся масс. Кроме того, возникает напряжение от крутильных колебаний. Шейки вала испытывают переменное давление, что обуславливает значительную работу трения и износ шеек.
Основные элементы коленчатого вала:
1)Коренная шейка – опора вала, лежащего в коренном подшипнике, расположенном в картере двигателя.
2)Шатунная шейка – опора, с помощью которой вал связывается с шатунами (для смазки шатунных подшипников имеются масляные каналы).
3)Щеки – связывают коренные и шатунные шейки.
4)Передняя выходная часть вала – часть вала на которой крепится зубчатое колесо. 5)Задняя выходная часть вала (хвостовик) – часть вала соединяемая с маховиком или шестерней.
6)Противовесы – обеспечивают разгрузку коренных подшипников от центробежных сил инерции первого порядка неуравновешенных масс кривошипа и нижней части шатуна.
Коленчатый вал работает при температурах не выше 400С.
Причинами поломки коленчатых валов являются: высокий уровень знакопеременных напряжений от сгиба или крутящих колебаний вала, литейные дефекты и дефекты обработки вала (рыхлоты, пористости, подрезы). Повышение уровня напряжений при изгибе в шейках и щеках вала происходит в результате образования ступенчатости смежных опор, увеличенного изгиба вала, нарушения уравновешенности вала (неправильный подбор поршней и шатунов по массе). Большими концентраторами напряжения являются места перехода с одного диаметра на другой.
Исправная работа коленчатого вала с подшипниками зависит от правильности укладки коленчатого вала, состояния его поверхности шеек и вкладышей, подачи смазки в нужном количестве и необходимого качества и других условий. Основными неисправностями коленчатых валов являются: трещины и изломы, которые могут быть следствием нарушений при изготовлении или ремонте вала, в частности неправильной установки в подшипниках; выкрашивание, коррозия и износ вкладышей.
Сгиб вала бывает двух видов: упругий и остаточный. Упругий изгиб вала происходит под действием сил, действующих от шатунов и вала якоря тягового генератора, при неправильной укладке коленчатого вала в постелях блока и нарушению центровки валов: коленчатого и якоря генератора.
Остаточный изгиб коленчатого вала образуется в результате неправильного шлифования коренных шеек (несоосности шеек) или релаксации остаточных внутренних напряжений.
Материал детали: для изготовления коленвалов используют конструкционные улучшающие легированные стали с содержанием
углерода 0,3-0,5%. Стали подвергают закалке при 820-880 С в масле и высоком отпуске при 550-680 С. После такой обработки структура стали - сорбит. Стали должны иметь высокую границу текучести, малую чувствительность к концентраторам напряжения, а в изделиях, работающих при многократно приложенных нагрузках – высокий предел выносливости и достаточный запас вязкости. Кроме того улучшающие стали должны иметь хорошую прокаливаемость и малую чувствительность к отпускной хрупкости.
Для изготовления коленчатого вала выберем материалы улучшающие стали 38ХН3МФА(Cr,Ni,Mo,V(ванадий)),38ХН3МА,30ХНА.
Данные стали применяют для изготовления валов, шатунов, штоков и других деталей, подверженных воздействию циклических или ударных нагрузок. В связи с этим улучшающие стали должны иметь высокий предел текучести, пластичность, вязкость, малую чувствительность к надрезу. При полной закалкесталь имеет лучшие механические свойства, особенно сопротивление хрупкому разрушению - низкий порог хладноломкости, высокое значение работы развития трещины и вязкость разрушения.
Хромоникелевые(Cr-Ni) стали - склонны к обратимой отпускной хрупкости, для устранения которой многие детали небольших размеров из этих сталей охлаждают после высокого отпуска в масле, а более крупные детали в воде для устранения этого дефекта стали дополнительно легируют Mo или W. Хромоникельмолибденовые(Cr-Ni-Mo) стали - высокая прочность, пластичность и вязкость и низкий порог хладноломкости. Этому способствует высокое содержание никеля. Недостатками сталей являются сложность их обработки резанием и большая склонность к образованию флокенов. Стали применяют для изготовления наиболее ответственных деталей турбин и компрессорных машин.
Табл.1-хим. состав материалов[2]
Материал Химический состав, %
Mo Cr Si C Ni Mn V S P Cu
38ХН3МФА 0,35-0,45 1,20- 1,40 0,17-0,37 0,33– 0,40 3,00-3,50 0,25-0,50 0,10-0,18 ≤ 0,025 ≤ 0,025 ≤ 0,03
38ХН3МА 0,20-0,30 0,80-1,20 0,17-0,37 0,33-0,40 2,75-3,25 0,25-0,50 - ≤ 0,025 ≤ 0,025 ≤ 0,03
30ХН2МА 0,20-0,30 0,60-0,90 0,17-0,37 0,27-0,34 1,25-1,65 0,30-0,60 - ≤ 0,025 ≤ 0,025 ≤ 0,03
Табл.2- Мех. свойства материалов в состоянии снабжения [2]
Материал Термическая обработка σ0,2 σВ δ5 ψ KCU, Дж / см2 НВ после отжига, не более
МПа %
38ХН3МФА Закалки с 850оС в масле, отпуск при 600оС, охлаждение на воздухе 1100 1200 12 50 80 269
38ХН3МА Закалки с 850оС в масле, отпуск при 600оС, охлаждение на воздухе 1000 1100 12 50 80 269
30ХН2МА Закалки с 860оС в масле, отпуск при 530оС, охлаждение на воздухе 800 1000 10 45 80 241
σ0,2- предел текучести, σВ- врем.сопрот.разрыву(предел прочности при расстяжении), δ5-относит.удлин. после разрыва, ψ-относ.сужение, KCU-удел.вязкость,