49075

Крупные детали (коленчатые валы, муфты, промежуточные валы и др. детали должны иметь повышенную твёрдость 260-300 НВ)

Курсовая

Производство и промышленные технологии

Конструкционные стали Улучшаемые стали. Конструкционные стали применяемые для изготовления валов Термическая обработка сталей. Выбор термической обработки стали марки 40ХНМА.

Русский

2013-12-20

242 KB

27 чел.

Российский Государственный Университет Нефти и Газа им И.М. Губкина.

Кафедра металловедения.

Курсовая работа.

Вариант 19.

Крупные детали (коленчатые валы, муфты, промежуточные валы и др. детали должны иметь повышенную твёрдость 260-300 НВ).

Для изготовления выбрана сталь 40ХНМА.

Назначить режим термической обработки, описать микроструктуру до и после термообработки.

Выполнил: ст.гр. ТМ-03-6

                     Симонов В.А.

Проверила: проф. Бакаева Р.Д.

Москва 2005.

Оглавление.

Введение………………………………………………………………………..3

§1 Конструкционные стали

1.1 Общая характеристика…………………………………………………….4

1.2 Улучшаемые стали………………………………………………………...5

1.3 Конструкционные стали применяемые для изготовления валов………6

§2  Термическая обработка сталей…………………………………………...7

§3 Выбор термической обработки стали марки 40ХНМА……………….…8

Заключение……………………………………………………………………10

Список литературы…………………………………………………………...11

Введение.

Прежде чем приступить к основному вопросу, то есть разработке выбора термической обработки и методов улучшения заданного материала, надо рассмотреть ряд теоретических аспектов необходимых для детального анализа данного вопроса.

 Правильно подобранный режим термической обработки обуславливает целый ряд физико-химических, механических и технологических свойств получаемых изделий.

При выборе термической обработки необходимо представлять себе сущность изменений, происходящих в стали при этой обработке. Для этого необходимо знать основные положения металловедения, в частности строение стали и механизм протекания фазовых превращений. Кроме того, необходимы конкретные представления о структуре стали и ее изменениях.

Контроль микроструктуры является одним из наиболее эффективных способов оценки качества изделий. С его помощью можно обнаружить дефекты структуры изделий и выявить причины их возникновения. Так, например, низкая твердость может быть обусловлена или низкой или слишком высокой температурой закалки, недостаточной скоростью охлаждения, высокой температурой отпуска, обезуглероживанием поверхности. Металлографическое исследование позволяет не только выявить все эти дефекты, но обнаружить также и те нарушения режима термической обработки, которые, не влияя на окончательную твердость, вызовут появление трещин непосредственно после закалки или во время эксплуатации.

Основной целью данной работы является проработка теоретического материала по теме “Термическая обработка сталей” и изучение методов повышения эксплутационных характеристик конструкционных сталей.

§1.  КОНСТРУКЦИОННЫЕ СТАЛИ

1.1  ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА

Для того чтобы правильно назначить необходимый режим термообработки

надо расшифровать марку заданной стали.

Сталь 40ХНМА – конструкционная хромоникельмолибденовая легированная

сталь, содержащая 0,4% С, и менее 1% Cr, Ni и Mo.

Конструкционные стали должны обладать высокой конструктивной прочностью, обеспечивать длительную и надежную работу конструкции в условиях эксплуатации. Поэтому особенность требований, предъявляемых к конструкционным материалам, состоит в необходимости обеспечения комплекса высоких механических свойств, а не одной какой-либо характеристики.

Материалы, идущие на изготовление конструктивных элементов, деталей машин и механизмов, должны наряду с высокой прочностью и пластичностью хорошо сопротивляться ударным нагрузкам, обладая запасом вязкости. При знакопеременных нагрузках конструкционные материалы должны обладать высоким сопротивлением усталости, а при трении сопротивлением износу. Во многих случаях необходимо сопротивление коррозии. Учитывая, что в деталях всегда имеются дефекты, являющиеся концентраторами напряжений, конструкционные материалы должны обладать высоким сопротивлением хрупкому разрушению и распространению трещин.

Помимо высокой надежности и конструктивной прочности конструкционные материалы должны иметь высокие технологические свойства - хорошие литейные свойства, обрабатываемость давлением, резанием, хорошую свариваемость. Конструкционные материалы должны быть дешевы и не должны содержать дефицитных легирующих элементов.

Легирование позволяет повысить уровень механических свойств.

Основными преимуществами легированных конструкционных сталей перед углеродистыми являются более высокая прочность за счет упрочнения феррита и большей прокаливаемоемостью меньший рост аустенитного зерна при нагреве и повышенная ударная вязкость.

Различают следующие виды конструкционных сталей: 1) углеродистые, в том числе автоматные стали; 2) строительные; 3) цементуемые; 4) улучшаемые; 5) высокопрочные; 6) рессорно-пружинные; 7) подшипниковые; 8) износостойкие.

Автоматные стали применяют для массового изготовления крепежа на станках-автоматах. Основное требование к ним - хорошая обрабатываемость резанием, достигаемая за счет увеличения содержания серы и фосфора до 0,1 - 0,2 %, а также добавления селена и свинца. Маркируются автоматные стали буквой А и двумя цифрами, показывающими среднее содержание углерода в сотых долях процента: А12, А20, АЗО.

  1.  УЛУЧШАЕМЫЕ СТАЛИ

Улучшаемыми конструкционными сталями называют среднеуглеродистые стали, содержащие 0,3 - 0,5% С и легирующие элементы обычно в количестве не более 5 %, которые используют после операции так называемого улучшения, состоящей из закалки и высокого отпуска. Закалку таких сталей обычно проводят в масле. Температура отпуска составляет 550 - 650 °С.  После термообработки улучшаемые стали имеют структуру сорбита,  хорошо воспринимающего ударные нагрузки.

Улучшаемые стали имеют высокую прочность, вязкость, малую чувствительность к концентраторам напряжений и хорошую прокаливаемость.  В случае сквозной прокаливаемости после одинаковой термообработки свойства различных марок улучшаемых сталей близки между собой. Поэтому выбор той или иной марки улучшаемой стали в каждом конкретном случае обусловлен  прокаливаемостью стали, сечением детали и сложностью ее конфигурации, наличием концентраторов напряжений.

Улучшаемые стали могут быть условно разбиты на 5 групп. С увеличением номера группы растет степень легирования и размер сечения, в котором достигается сквозная прокаливаемость. В этой таблице порог хладноломкости указывает температура, при которой в изломе ударных надрезанных образцов не менее 50 % волокнистой составляющей. Обычное содержание кремния в улучшаемых сталях составляет 0,17 -0,37 %, марганца 0,5 - 0,8 %, фосфора и серы менее 0,035

Состав улучшаемых конструкционных сталей (по ГОСТ 4543—71)

Сталь

Содержание элементов, %

Крити-ческий диаметр, мм

Порог хладноломкости T°С

С

Мп

Si

Cr

Ni

Другие

40ХН

0,36-0,44

0,17—0,37

0,45-0,75

1,0-1,4

25

-60

40ХНР

0.35-0,42

0,6-0,9

0,17—0,37

0,6-0,9

0,4-0,8

0,002-0,005В

35

-40

40ХГНР

0,35-0,45

0,8—1,1

0,17--0,37

0,8-1,1

0,5-0,8

0.002-0,005В

40

-20

40ХНМ

0,37-0,44

0,17—0,37

0,6-0,9

1,2-1,6

0,15-0,25 Мо

40

-80

42ХМФ

0.40-0,45

0,5—0,8

0,17—0.37

0,8-1,1

0,20-0,30 Мо, 0,08-0,14 V

40

-60

К группе IV относятся хромникелевые стали, содержащие до 1,5 % Ni:

40ХН, 40ХНМ. Их критический диаметр D95 = 40 мм. Эти стали при пониженной температуре эксплуатации обладают большим запасом вязкости чем стали предыдущих групп.

.

1.3  Конструкционные стали применяемые для изготовления коленчатых и промежуточных валов

В зависимости от назначения и условий работы эксплуатационная стойкость валов определяется усталостной прочностью в условиях кручения и изгиба, контактной прочностью и износостойкостью.

Коленчатый  вал  двигателя  воспринимает  высокие  нагрузки  от  сил инерции  поступательного  и  вращательного  движения масс  и  силы инерции,  вызывают трение и износ  шеек  вала, а также усталостные явления по галтелям и в местах выходов масляных каналов. Их обычно изготовляют из стали, а в ряде случаев и из чугуна. Поковки коленчатых валов для получения необходимых механических свойств, подготовки структуры для окончательной поверхностной закалки и обеспечения хорошей обработки резанием подвергают нормализации  при (необходимости с отпуском) или улучшению. Улучшение также является и окончательной упрочняющей обработкой валов. Для повышения износостойкости шейки коленчатых валов подвергают закалке при индукционном нагреве и самоотпуску.

Для повышения усталостной прочности галтели коленчатого вала иногда упрочняют обкаткой роликами или, реже, дробеструйной обработкой. Долговечность коленчатых валов из легированных сталей может быть повышена жидким  или газовым азотированием. Усталостная прочность коленчатых валов в результате жидкого азотирования повышается на 60—80%.

§2  ТЕРМИЧЕСКАЯ ОБРАБОТКА СТАЛИ

Теория термической обработки рассматривает и объясняет изменения строения и свойств металлов и сплавов при тепловом воздействии, а также при тепловом воздействии в сочетании с химическим, деформационным, магнитным и другими воздействиями.

Термическая обработка является одним из наиболее распространенных в современной технике способов получения заданных свойств металлов и сплавов.   Так как основными факторами любого вида термической обработки являются температура и время, то любой процесс термической обработки можно описать графиком, показывающим изменение температуры во времени (рис.1). Постоянная скорость нагрева или охлаждения изображается на графике прямой линией с определенным углом наклона, при этом угол наклона характеризует скорость нагрева или охлаждения (, ). Общая длительность термической обработки металла складывается из времени собственно нагрева до заданной температуры 1 времени выдержки при этой температуре (1 - 2) и времени охлаждения до комнатной температуры (3- 2).

Рис.1 График термической обработки сплавов.

В результате термической обработки в сплавах происходят структурные изменения. После термообработки металлы и сплавы могут находиться в равновесном (стабильном) и неравновесном (метастабильном) состоянии. При охлаждении деталей (изделий) вместе с печью в них практически полностью проходят процессы вторичной кристаллизации и связанные с ними диффузионные превращения в металле или сплаве, и металл оказывается в состоянии, близком к равновесному (стабильному). При охлаждении на воздухе в металле происходят превращения, близкие к равновесным. При быстром охлаждении (масло, вода и др.) в металле не успевают проходить диффузионные процессы и связанные с ними превращения, поэтому он оказывается в неравновесном (частично неравновесном) состоянии.

§3  Выбор режима термической обработки стали марки 40ХНМА

Для достижения необходимой твердости (260-300 HB), 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. Причем 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.

Азотированию обычно подвергают готовые изделия, прошедшие механическую и окончательную термическую обработку (закалку с высоким отпуском 600 - 675°С, температура которого выше максимальной температуры азотирования).Напомню, что 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.  Участки, не подлежащие азотированию, защищают нанесением тонкого слоя олова (10 - 15 мкм) электролитическим методом или жидкого стекла. Глубина азотированного слоя достигает 0,3 - 0,6 мм. Из-за сравнительно низких температур скорость азотирования значительно меньше, чем скорость цементации и составляет всего 0,01 мм/ч и менее.

По сравнению с цементацией азотирование имеет ряд преимуществ и недостатков. Преимуществами азотирования являются более высокая твердость и износостойкость поверхностного слоя, сохранение их высоких свойств при нагреве до 500°С, а также высокие коррозионные свойства. В азотированном слое создаются остаточные напряжения сжатия, что повышает усталостную прочность. Кроме того, после азотирования не требуется закалки, что позволяет избежать сопутствующих закалке дефектов. Недостатками азотирования по сравнению с цементацией являются более высокая длительность процесса и необходимость применения дорогостоящих легированных сталей. Поэтому азотирование применяют в случае изготовления более ответственных деталей, от которых требуется особо высокое качество поверхностного слоя. На рис 4. представлен график  влияния температуры и продолжительности азотирования на твердость и толщину азотированного слоя:   

Рис.4

  1.  сталь 38ХМЮА
  2.  легированные конструкционные стали (40Х, 40ХНМА, 18Х2Н4ВА и др.)
  3.  углеродистые стали.

Заключение.

 Таким образом, после заданной термической обработке: закалки с последующим высоким отпуском сталь будет обладать повышенной твердостью (порядка  300-370 HB), что для нашего случая (изготовлению из данной стали промежуточных, коленчатых валов, муфт и других деталей) является приемлемым. Дальнейшее азотирование позволяет повысить усталостную прочность концентраторов напряжения ( шейки вала, сужения, галтели, места выходов масляных каналов, шпоночные соединения), и общую долговечность детали.

Выбор данного метода термической обработки обусловлен тем, что высокий отпуск обеспечивает одновременно значительную пластичность конструкционной стали при повышенной, по сравнению с нормализацией и отжигом, прочности. Поэтому термическую обработку состоящую из закалки и последующего высокого отпуска называют улучшением, которому подвергают среднеуглеродистые стали для уменьшения чувствительности к концентраторам напряжений, снижения температуры порога хладноломкости.

Также не следует забывать о немаловажной роли легирующих элементов:

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.

Используемая литература.

  1.  Гуляев А. П. «Металловедение».
  2.  Г. П. Фетисов  М. Г. Карпман « Материаловедение и технология металлов».
  3.  Справочник металлиста.
  4.  Ю.М. Лахтин    «Материаловедение».

PAGE 1


 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

40407. Предыстория объединения 77.04 KB
  под эгидой Пруссии был заключенТаможенный союз куда вошли Пруссия Бавария Саксония и другие государства. Королевство Пруссия Ядром Пруссии стало Маркграфство Бранденбург которое образовалось в XII веке на славянских землях бодричей и лютичей между Эльбой и Одером в результате экспансии немецких рыцарей на восток. В 1618 году в результате династического брака сына маркграфа Бранденбурга и дочери герцога Пруссии из другой ветви Гогенцоллернов образовалось наследственное владение БранденбургПруссия. ВТридцатилетней войне относительно...
40408. Австро-венгерское соглашение 1867 года (Австро-венгерский компромисс) 34.97 KB
  kiegyezés договор заключённый 15 марта 1867 годамежду австрийским императором ФранцемИосифом I и представителями венгерского национального движения во главе с Ференцем Деаком в соответствии с которым Австрийская империя преобразовывалась в дуалистическую монархию АвстроВенгрия. Создание АвстроВенгрии было способом преодоления затяжного кризиса империи вызванного подъёмом национальных движений народов страны укреплением национальных элит военными поражениями в австроиталофранцузской 1859 года и австропрусской 1866 года войнах...
40409. Зависимость от Испании 1580—1640 456.5 KB
  Иберийская или пиренейская уния современное обозначение династической унии корон Испании и Португалии в 1580 1640 годах. Приход к власти Габсбургов в Португалии После того как в 1578 году молодой португальский король Себастьян I сложил голову при ЭльКсарэльКебире правящая Ависская династия оказалась на грани угасания. Он обеспечил португальское представительство в управлении единым государством позволил Португалии сохранить собственные законы и денежную единицу; одно время даже обсуждалась идея переноса столицы в Лиссабон. Династия...
40410. Венский конгресс 1814—1815 гг. 24.67 KB
  Гумбольдт Францию Шарль Морис де ТалейранПеригор Португалию Педро де Соуза Гольштейн де Палмела Решения Европа после Венского конгресса Все решения Венского Конгресса были собраны в Заключительном акте Венского Конгресса. В результате конгресса сложилась Венская система международных отношений и был создан Священный союз европейских государств имевший целью обеспечение незыблемости европейских монархий.
40411. Вестфальская система международных отношений 51.36 KB
  Назревание войны Аугсбургский религиозный мир 1555 на время завершил открытое соперничество лютеран и католиков в Германии. Периоды войны. Ход войны Чешский период 1618 1625 23 мая 1618 оппозиционные дворяне во главе с графом Турном выбросили из окон Чешской канцелярии в ров королевских наместниковВильгельма Славату Мартиницу и их секретаря Фабриция Вторая пражская дефенестрация.
40412. Война́ за незави́симость США 38.68 KB
  В том же 1765 году в НьюЙорке собрался Конгресс против штемпельного сбора представлявший собою большую часть колоний; он выработал Декларацию прав колоний. В 1767 году Англия обложила таможенными пошлинами ввозимые в американские колонии стекло свинец бумагу краски и чай; затем когда ньюйоркское законодательное собрание отказало в субсидии английскому гарнизону английский парламент ответил отказом в утверждении каких бы то ни было постановлений ньюйоркского законодательного собрания пока оно не смирится; в то же время министерство...
40413. Война́ за австри́йское насле́дство 115.2 KB
  Претензии сторон После смерти императора Карла VI 20 октября 1740 года его старшая дочь Мария Терезия вступила согласно постановлениюПрагматической санкции во владение всеми землями австрийской монархии но её наследственные права стали оспариваться с разных сторон а одновременно с тем заявлены были и разные другие притязания. Прусский король Фридрих II Великий прежде всех воспользовался этим случаем чтобы заявить древние права своего дома на силезские герцогства Лигниц Волау Бриг и Егерндорф и в декабре 1740 годавступил в Силезию....
40414. Английская революция XVII века 262.06 KB
  Гражданская война Начало войны Большое число роялистов присоединилось к армии короля. Один из офицеров парламентской армии Оливер Кромвель обратил внимание на вражескую кавалерию. Солдаты Армии нового образца получали должную военную подготовку и в бою вели себя очень дисциплинированно. Раньше офицерами становились солдаты из благополучных и знатных семей но в Армии нового образца они выдвигались по службе по мере своих заслуг на поле боя и боевых качеств.
40415. Буржуазные революции и национально-освободительные движения в 20-е годы XIX века в Европе 58.93 KB
  Буржуазные революции в Испании Португалии и Италии были вызваны притязаниями буржуазии на власть и ее борьбой против абсолютизма восстановленного после краха наполеоновской империи. Хотя обстановка в этих странах в годы Реставрации существенно различалась в Италии антифеодальные преобразования революционного и наполеоновского периода в основном остались в силе тогда как в Испании и Португалии феодальные устои общества не были поколеблены вспыхнувшие здесь буржуазные революции имели некоторые общие специфические черты. Революции в...