Контрольная работа по "Металлургии"

Задание

Поршневые пальцы диаметром d = 30 мм и длиной l = 50 мм должны иметь по условиям работы вязкую сердцевину и твердую поверхность, хорошо сопротивляющуюся износу (58-62 HRC). Выбрать подходящую марку стали, разработать и обосновать режимы всех видов термической обработки изделия; для всех стадий выбрать оборудование, схематично его изобразить и описать принцип работ. Описать превращения, проходящие в сплаве на всех стадиях обработки, указать, какой будет структура на каждой стадии. Схематично изобразить структуру стали после окончательной обработки изделия, дать характеристику ее механических свойств.

 

Выбор марки стали

Материал  для поршневых пальцев должен обладать достаточной прочностью и  износостойкостью.

В качестве материала для поршневых пальцев  применяют сталь 45 селективной очистки, сталь 45ХА с последующей закалкой пальца на глубину 1—1,5 мм, сталь 15Х  и 15 с последующей цементацией  его на глубину 0,5—1,5 мм и закалкой на ту же глубину. Термическая обработка  поршневых пальцев должна обеспечивать твердость рабочей поверхности HRC58—65 при твердости сердцевины не менее HRC32—40.

Поршневые пальцы для высоконагруженных двигателей изготовляются из легированных цементуемых сталей 12Х2Н4А и12ХНЗА,15ХМАидр.

Выберем сталь марки 15Х - низкоуглеродистая хромистая конструкционная  цементуемая сталь

Общие сведения:

Заменитель

сталь 20Х.

Вид поставки

Сортовой прокат, в том  числе фасонный: ГОСТ 4543-71, ГОСТ 2590-71, ГОСТ 2591-71, ГОСТ 2879-69, ГОСТ 4693-77, ГОСТ 10702-78. Калиброванный пруток ГОСТ 7414-75, ГОСТ 8559-75, ГОСТ 8560-78, ГОСТ 1051-73, ГОСТ 10702-78. Шлифованный  пруток и серебрянка ГОСТ 14955-77. Полоса ГОСТ 103-76. Поковки и кованые заготовки  ГОСТ 8479-70, ГОСТ 1131-71. Трубы ГОСТ 8733-87, ГОСТ 8734-75.

Назначение

втулки, пальцы, шестерни, валики, толкатели и другие цементируемые  детали, к которым предъявляется  требование высокой поверхностной  твердости при невысокой прочности  сердцевины, детали, работающие в условиях износа при трении.

Химический состав

Химический элемент	%
Кремний (Si)	0.17-0.37
Медь (Cu), не более	0.30
Марганец (Mn)	0.40-0.70
Никель (Ni), не более	0.30
Фосфор (P), не более	0.035
Хром (Cr)	0.70-1.00
Сера (S), не более	0.035

 

Механические  свойства проката 

Термообработка, состояние  поставки	s0,2, МПа	sB, МПа	d5, %	y, %	KCU, Дж/м2	HB	HRCэ
Пруток. Цементация 910 °С, закалка 790 °С, вода, отпуск 190 °С.	370	610	15	45	59	179	58-64

Механические  свойства поковок 

Термообработка, состояние  поставки	Сечение, мм	s0,2, МПа	sB, МПа	d5, %	y, %	KCU, Дж/м2	HB
Нормализация
КП 195	<100	195	390	26	55	59	111-156
КП 195	100-300	195	390	23	50	54	111-156
Закалка, отпуск
КП 345	<100	345	590	18	45	59	174-217

Механические  свойства в зависимости от температуры  отпуска 

t отпуска, °С	s0,2, МПа	sB, МПа	d5, %	y, %	KCU, Дж/м2
Закалка 880 °С.
200	550	780	7	46	39
300	560	750	4	55	49
400	560	720	6	59	78
500	540	680	9	61	98
600	530	630	10	61	127

 

Температура критических  точек

Критическая точка	°С
Ac1	766
Ac3	838
Ar3	799
Ar1	702

 

Ударная вязкость

Ударная вязкость, KCU, Дж/см²

Состояние поставки, термообработка	+20	-40
Образец после закалки 850 С, масло, отпуск 200 С, 1 ч.	98	61

Прокаливаемость

Твердость для полос прокаливаемости HRCэ.

Расстояние от торца, мм / HRC э
1.5	3	4.5	6	7.5	9	10.5	12	13.5	15
36-44.5	32-44.5	25-42.5	38.5	33	29	26	24,5	23	22

 

 

Последовательность  операции предварительной и окончательной  термообработки деталей

 

Поршневые пальцы работают при больших скоростях скольжения и средних давлениях, поэтому  основным требованием, предъявляемым  к легированным конструкционным  сталям, является сочетание высокой  прочности, твердости и вязкости. Наряду с этим они должны иметь  хорошие технологические и эксплуатационные свойства и быть дешевыми. Введение в сталь легирующих элементов  само по себе уже улучшает ее механические свойства.

Для получения после цементации и последующей термической обработки  высокой твердости поверхности  и пластичной сердцевины детали изготовляют  из низкоулеглеродистых сталей 15 и 20. получающаяся после цементации и последующей термической обработки твердая и прочная сердцевина у сталей с повышенным содержанием углерода предохраняет цементованный слой от продавливания при больших предельных нагрузках. Это позволяет снизить глубину цементованного слоя, т.е. сократить длительность цементации.

Хромистые стали с низким содержанием углерода подвергают цементации с последующей термической обработкой, а со средним и высоким содержанием  углерода – улучшению (закалке и  высокому отпуску).

Доэвтектоидные стали при закалке нагревают до температуры на 30 -50°С выше верхней критической точки Ас₃. При таком нагревании исходная феррито-перлитная структура превращается в аустенит, а после охлаждения со скоростью больше критической образуется структура мартенсита. Скорость охлаждения оказывает решающее влияние на результат закалки. Преимуществом масла является то, что закаливающаяся способность не изменяется с повышением температуры масла.

Масло недостаточно быстро охлаждает при 550 - 650°С, что ограничивает его применение только тех сталей, которые обладают небольшой критической скоростью закалки.

 

 

 

 

 

Режим операций предварительной  и окончательной термообработки деталей 

 

Последовательность операций обработки поршневого пальца, изготовленного из стали 15Х :

Отливка – цементация - механическая обработка - закалка - высокий отпуск - механическая обработка;

В результате длительной выдержки при высокой температуре цементации происходит перегрев, сопровождающийся ростом зерна. Для получения высокой  твердости цементованного слоя и достаточно высоких механических свойств сердцевины, а также для получения в поверхностном слое мелкоигольчатого мартенсита, деталь после цементации подвергнем последующей термической обработке.

В результате цементации поверхностный  слой деталей науглероживается (0,8 – 1% С), а в сердцевине остается 0,12 – 0,32% С, т.е. получается как бы двухслойный металл. Поэтому для получения нужной структуры и свойств в поверхностном слое и в сердцевине необходима двойная термическая обработка. Структура цементированного слоя:

Первая – закалка от 850 - 900°С; Вторая от 750 - 800°С и отпуск при 150 - 170°С. В результате первой закалке улучшается структура низкоуглеродистой сердцевины (перекристаллизация). При этой закалке структура поверхностного слоя тоже улучшается, так как быстрым охлаждением устраняется цементитная сетка. Но для науглероживания поверхностного слоя температура 850 - 900°С является слишком высокой и поэтому не устраняет перегрева. После цементации деталь поступает на механическую обработку.

Основная цель закалки  стали это получение высокой  твердости, и прочности что является результатом образования в ней  неравновесных структур – мартенсита, троостита, сорбита. Заэвтектоидную сталь нагревают выше точки Ас₁ на 30 - 90 ⁰С. Нагрев заэвтектоидной стали выше точки Ас₁ производится для того, чтобы сохранить в структуре закаленной стали цементит, является еще более твердой составляющей, чем мартенсит (температура заэвтектоидных сталей постоянна и равна 760 - 780 ⁰С).

Вторая закалка от 750 - 800°С является нормальной закалкой для науглероженного слоя – устраняется перегрев и достигается высокая твердость слоя. Структура стали после закалки:

Отпуск при 150 - 170°С проводится для снятия внутренних напряжений. После такого режима термической обработки структура поверхностного слоя – мелкоигольчатый мартенсит с вкраплениями избыточного цементита, а сердцевины – мелкозернистый феррит+перлит.

Механические свойства стали  после термической обработки:

- Твердость в сердцевине  повысилась до НВ 212;

HRC 56-64 (пов.), НВ 212 (серд.)

- Предельная прочность  (σ_в) равна 620 Н/мм²;

Микроструктура закаленной углеродистой стали после отпуска:

 

 

Оборудование

Колпаковая печь

В газовых колпаковых печах газ сгорает в излучающих трубах, а в электрических печах применяют нагреватели из сплавов высокого сопротивления. В некоторых конструкциях печей колпаки применяют только для нагрева садки, а охлаждение производится без колпака. Колпак мостовым краном переносится на другой под для нагрева садки на втором поде.

В других конструкциях колпак только приподнимают, под с нагретой садкой отводят, а вместо него подкатывают другой под с садкой для нагрева. При использовании защитной атмосферы в колпаковых печах применяют муфель.

На рисунке 7 показана колпаковая электропечь. Колпак 1 цилиндрической формы футерован нормальным шамотным и диатомитовым кирпичом. На крючках 2 подвешены нагреватели из сплавов Х20Н80. Муфель 3 двойной газонепроницаемый сделан из листовой стали Х23Н18. В муфель вводится защитный газ, состоящий из 0,5 % СО2, 2 % Н2 и остальное N2. Расход газа 2,5 м3/ч. Масса садки 25 т. Рабочая температура 9000С. Мощность печи 380 кВт.

Рис. 7. Колпаковая печь

 

Четырехтигельная электродная печь-ванна

Четырехтигельная ванна для термической обработки быстрорежущей стали, показана на рисунке 8. В первом тигле производят подогрев до 6500С, во втором до 8500С, в третьем осуществляют окончательный нагрев до 1220 - 12900С, а в четвертом тигле производят ступенчатую закалку.

В зависимости от температуры  составы солей в тиглях различные: в первом смесь солей 50 % КСl и 50 % Na2СО3, во втором 30 % КСl и 70 % ВаС12, в третьем 100% ВаС12 и в четвертом 33,3% КСI, 33,3% NаС1 и 33,3 % ВаС12. Перед загрузкой в тигли соли NаСl и КС1 тщательно просушивают, а ВаС12 прокаливают при 600 - 7000С.

Раскисляют ванны бурой  или ферросилицием. Чем выше температура, тем чаще раскисляют ванну.

Рис. 8. Четырехтигельная электродная печь-ванна:

1- тигли, 2 - электродная группа, 3 - вытяжной зонт, 4 - пирометр

Механизированный закалочный  бак

Механизированный закалочный бак (рис. 9) состоит из корпуса 1, в котором установлен стол 2 с отверстиями в крышке. С помощью пневматического приспособления 3 стол может опускаться, подниматься и покачиваться. Перемешивание масла осуществляется мешалкой 4. Охлаждение поддонов производится следующим образом. Горячие поддоны с деталями поступают на стол, и стол с помощью пневматики погружается в масло и покачивается. После охлаждения стол поднимается, и поддоны перемещаются на следующую операцию.

 

Рис. 9. Механизированный закалочный бак с опускающимся столом

Список использованной литературы