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

29855. Валютные операции коммерческих банков, в России и за рубежом 18.25 KB
  Валютный рынок это вся совокупность конверсионных и кредитнодепозитных операций в иностранных валютах осуществляемых между контрагентами участниками валютного рынка. Валютные рынки можно классифицировать по следующим признакам: по виду операций. Например существует мировой рынок конверсионных операций в нём можно выделить сегменты конверсионных операций типа евро доллар или доллар иена а также мировой рынок кредитнодепозитных операций; по территориальному признаку. Текущие конверсионные операции по обмену одной валюты на другую а...
29856. Инновационная политика государства. Методы стимулирования и возможности. Мировой опыт 13.75 KB
  Под государственной инновационной политикой понимается комплекс целей а также методов воздействия государственных структур на экономику и общество в целом связанных с инициированием и повышением экономической и социальной эффективности инновационных процессов. Инновационная политика приобретает важное значение в условиях повышения инновационной активности коммерческих и государственных предприятий и структурной перестройки страны в целом. Формирование инновационной политики взаимосвязано прежде всего с переориентацией системы...
29857. Проблемы межбюджетных отношений и пути их решения 14.41 KB
  Проблемы межбюджетных отношений и пути их решения. Основная задача бюджетного федерализма заключается в том чтобы в конкретных экономических и политических условиях выбрать наиболее эффективную модель бюджетных отношений. Каждая страна решает задачу выбора модели бюджетных отношений посвоему. Эффективность межбюджетных отношений определяется не степенью централизации децентрализации бюджетной системы не наличием или отсутствием регулирующих налогов не долями доходов расходов федерального правительства не объемом и способами передачи...
29858. Иностранные инвестиции, их роль в экономике, создание благоприятного инвестиционного климата в РФ 15.6 KB
  Переход к устойчивому экономическому росту насущнейшая проблема развития экономики России успешное решение которой в первую очередь зависит от масштабного притока инвестиций в реальный сектор экономики. Привлечение иностранных инвестиций в российскую экономику должно способствовать решению следующих проблем социальноэкономического развития: освоение невостребованного научнотехнического потенциала России особенно на конверсируемых предприятиях военнопромышленного комплекса; продвижение российских товаров и технологий на внешний...
29859. Анализ финансового состояния компании и его содержания 16.82 KB
  Анализ финансового состояния компании и его содержания. Цель анализа состоит не только и не столько в том чтобы установить и оценить финансовое состояние предприятия но еще и в том чтобы постоянно проводить работу направленную на его улучшение. Анализ финансового состояния показывает по каким конкретным направлением надо вести эту работу дает возможность выявить наиболее важные аспекты и наиболее слабые позиции. Оценка финансового состояния может быть выполнена с различной степенью детализации в зависимости от цели анализа имеющейся...
29860. Направления совершенствования бюджетной классификации 12.67 KB
  направления совершенствования бюджетной классификации Бюджетная классификация Российской Федерации является группировкой доходов и расходов бюджетов всех уровней бюджетной системы Российской Федерации а также источников финансирования дефицитов этих бюджетов применяется при составлении проектов бюджетов и исполнении бюджетов всех уровней обеспечивает сопоставимость показателей бюджетов всех уровней бюджетной системы Российской Федерации. Бюджетная классификация Российской Федерации включает: 1 классификацию доходов бюджетов Российской...
29861. Инвестиционные риски и направления их минимизации 12.78 KB
  При управлении инвестиционными рисками используется ряд приемов: в основном они состоят из средств разрешения рисков и приемов снижения степени риска. Средствами разрешения рисков являются избежание их удержание передача снижение степени риска. Избежание риска означает простое уклонение от мероприятия связанного с риском. Однако избежание риска для инвестора чаще является отказом от прибыли.
29862. Факторный анализ динамики финансово-экономических показателей 14.31 KB
  факторный анализ динамики финансовоэкономических показателей Под факторным анализом понимается методика комплексного и системного изучения и измерения воздействия факторов на величину результативных показателей. Отбор факторов определяющих исследуемые результативные показатели. Классификация и систематизация факторов с целью обеспечения комплексного и системного подхода к исследованию их влияния на результаты хозяйственной деятельности. Расчет влияния факторов и оценка роли каждого из них в изменении величины результативного показателя.
29863. Бюджетное планирование и его совершенствование в современных условиях 12.84 KB
  Весь цикл управления процессами формирования распределения перераспределения и потребления бюджетных ресурсов осуществляется посредством бюджетного планирования объектом которого являются фонды денежных средств. Главной задачей реформирования бюджетного процесса является создание условий и предпосылок для максимально эффективного управления общественными финансами в соответствии с приоритетами государственной политики а следовательно и повышение эффективности бюджетного планирования. Одна из задач этой реформы заключается в смещении...