Материаловедение

жүктеу/скачать 462,6 Kb.

Дата	21.09.2023
өлшемі	462,6 Kb.
	#109578

Байланысты:
30 сентября корректировка

Министерство НАУКИ И ВЫСШЕГО образования Российской Федерации
Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования
«Национальный исследовательский Томский политехнический Университет»

Инженерная школа природных ресурсов
Химическая технология
практическое задание 2

по дисциплине:

Материаловедение

Исполнитель:
студент группы	З-2Д12		18.09.2023

Руководитель:
преподаватель		Багинский Андрей Геннадьевич

Томск – 2023

Практическое задание №2
1. Рекомендовать и обосновать, из какой стали или чугуна нужно изготовить изделия, чтобы они соответствовали условиям эксплуатации и предъявляемым требованиям.
2. Указать вид и необходимые операции термическая обработка. Описать и обосновать режимы.

I. Распределительный вал

Знакопеременные нагрузки, высокие контактные напряжения
Распределительный вал является основным узлом, обеспечивающим правильное газораспределение при работе двигателя, что улучшает эффективную работу двигателя.
В процессе работы вал испытывает скручивающие и изгибающие нагрузки. Высокие контактные напряжения на кулачках вызывают их интенсивный износ. Силы трения в опорных шейках тоже способствуют износу поверхности шеек и подшипника.
Для изготовления распределительных валов используют углеродистую и легированную сталь, а также чугун.
Распределительные валы из малоуглеродистой или среднеуглеродистой стали выполняют штамповкой или ковкой. Кулачки и опорные шейки распределительного вала из малоуглеродистой стали цементируются и закаливаются.
Для цементации используют как качественные конструкционные углеродистые стали (ГОСТ 1050–74), так и легированные (ГОСТ 4543–71). Углеродистые стали (08, 10, 15, 20 и др.) применяют лишь для малонагруженных распределительных валиков с рабочим сечением до 15–25 мм, работающих в основном на износ. Низколегированные стали марок 15Х, 20Х, 20ХА. применяют для более нагруженных распределительных валов с рабочим сечением до 35 мм. Легированные стали повышенной прочности 20ХГР, 12ХН2, 20ХНМ, 20ХГМ предназначены для изготовления валов сечением до 50–75 мм, работающих при высоких удельных нагрузках. К этой же группе относятся стали 18ХГТ, 25ХГТ, 20ХГНТР и др., микролегированные титаном. В этих сталях рост зерна аустенита при цементации сдерживается карбидами титана.
При изготовлении вала из среднеуглеродистой стали закаливаются токами высокой частоты на глубину 2...3 мм, после чего шейки и кулачки шлифуют и полируют.
Среднеуглеродистые стали с содержанием углерода 0,3–0,5 % относятся к улучшаемым сталям. Улучшаемыми сталями называются стали, подвергаемые закалке с высоким отпуском – улучшению – называются улучшаемыми сталями. Закалка от температур 820-880 ºС в зависимости от химического состава стали и последующему высокому отпуску при температуре 550-680 ºС. После такой термообработки получается структура сорбит отпуска, которая обеспечивает высокую конструктивную прочность деталей и изделий – достаточно высокую прочность в сочетании с высокой пластичностью, вязкостью и малой склонностью к хрупким разрушениям.
Требования, предъявляемые к улучшаемым сталям, следующие: повышенная прочность (σ_0,2 = 800-950 МПа, σ_в = 950-1200 МПа); высокая пластичность ( = 12-20 %; ψ = 40-55 %); высокая вязкость (KCU = 0,7-1,0 МДж/м²); малая чувствительность к концентраторам напряжений; в изделиях, работающих при многократно прилагаемых нагрузках, – высокий предел выносливости; повышенная прокаливаемость; экономичность легирования.
Хромистые стали: 30Х, 35Х, 40Х для распределительных валов являются наименее легированными и обеспечивают прокаливаемость в несколько больших сечениях (до 20–25 мм в масле), чем соответствующие углеродистые стали. Хром не оказывает сильного влияния на разупрочнение при отпуске, однако он увеличивает склонность стали к отпускной хрупкости. Поэтому изделия из этих сталей после высокого отпуска следует охлаждать в масле или воде, недопустимо охлаждение после отпуска на воздухе. Легирование хромом не увеличивает склонности к росту зерна аустенита. Однако с целью получения мелкозернистой структуры в стали вводят ванадий (40ХФ), который, находясь в карбидах, препятствует росту зерна, а при отпуске задерживает разупрочнение. Поэтому для получения одинаковой прочности сталь 40ХФ при улучшении необходимо отпустить на 30-50°С выше, чем сталь 40Х. Это имеет большое значение для более полного снятия остаточных напряжений в изделиях и повышения их предела усталости.
Марганцовистые стали (40Г2, 45Г2) имеют несколько большую прокаливаемость, чем хромистые. Однако марганец усиливает склонность зерна к росту, поэтому эти стали чувствительны к перегреву и могут иметь пониженную ударную вязкость, особенно при отрицательных температурах. Эти стали можно применять при обработке ТВЧ и для изделий, несущих небольшие ударные нагрузки.
Хромомолибденовые стали (30ХМА, 35ХМ, 40ХФА, 40ХМФА) для распределительных валов обладают хорошей прокаливаемостью. Они имеют высокий комплекс механических свойств, мало склонны к отпускной хрупкости благодаря молибдену. Особенностью хромомолибденовых сталей является способность сохранять высокие механические свойства при повышенных температурах.
Кулачки чугунных валов для увеличения износостойкости подвергаются отбеливанию. Отбеливание достигается увеличением скорости охлаждению. При этом в середине вала остается серый чугун, а поверхность приобретает структуру белого чугуна.
Дополнительную твердость готовые валы могут получить также путем азотирования и лазерной обработки. Готовые валы перед установкой на двигатель балансируются для снижения биений.
Исходя из выше сказанного для изготовления распределительного вала двигателя диаметром шейки 30 мм, принимаем сталь 40ХМФА. Она обеспечит механические свойства сердцевины σ_0.2≥930 МПа, δ≥13%.
Сталь 40ХМФА содержит примерно 0,4% углерода, менее 1% молибдена и содержит ванадий. Буква А указывает, что сталь 40ХМФА относится к высококачественным сталям.
Сталь 40ХМФА закаливают с 860°С в масле; высокий отпуск производят при 580°С.
Технологические режимы термообработки стали целесообразно представлять графически. График технологических режимов стали 40ХМФА представлен на рис.1.1 Масштаб времени принимаем условно;

Рис.1.1 График режимов термической обработки стали 40ХМФА.
Основной и наиболее ответственной операцией упрочняющей термической обработки распределительных валов, определяющей их работоспособность, является поверхностная закалка при поверхностном индукционном нагреве кулачков и шеек.
По условиям эксплуатации оптимальная глубина закаленного слоя на кулачках должна составлять 2—5 мм, при этом на носике допускается ее увеличение до 10 мм.
Одновременный поверхностный нагрев кулачков и шеек производится в кольцевых или омега образных индукторах (рис. 2) различной конструкции с питанием от преобразователей с частотой 8—10 кГц. При индукционном нагреве ТВЧ кулачков и шеек распредвала со скоростью 100-200 °С/с — нагревают до температур 910—960 °С, при этом продолжительность нагрева составляет 1-1,5 секунды.. При меньшей частоте (1 и 2,5 кГц) ввиду особенности формы кулачка (большой разности диаметров поверхности носика и тыльной части) носик нагревается слабее и для получения в этой зоне высокой твердости приходится перегревать всю остальную часть кулачка, что увеличивает глубину закаленного слоя и деформацию валов, а также снижает производительность установок.

Рис.1. 2. Кольцевой (а) и омегообразный (б) индукторы для распределительных валов.
В высокопроизводительных установках используют одновременную закалку нескольких (иногда всех) упрочняемых элементов вала. Так в установках Горьковского автозавода все упрочняемые элементы вала (кулачки, эксцентрик, шестерня н четыре опорных шейки) нагреваются одновременно в индукторе соленоидного типа, затем вал в течение 4 с переносят в охлаждающее устройство спрейерного типа с поддерживающими вращающимися роликами (люнетами) для уменьшения коробления вала.
Рассмотрим превращения, происходящие в стали 40ХМФА при нагреве исходной равновесной структуры Ф + Ц. На практике при обычных скоростях нагрева под закалку перлит сохраняет свое пластинчатое или зернистое строение до температуры Aс₁. При температуре Ас₁, в стали происходит превращение перлита в аустенит. Кристаллы (зерна) аустенита зарождаются в основном на границах фаз феррита и цементита. При этом параллельно развиваются два процесса: полиморфный переход превращения альфа железа в гамма- железо (Fe_->Fe_) и растворение цементита в аустените.
Образование зерен аустенита происходит с большей скоростью, чем растворение цементита, поэтому необходима выдержка стали при температуре закалки для полного растворения цементита и получения гомогенного аустенита. При непрерывном охлаждении в стали с υ₀> υ_кр аустенит превращается в мартенсит.
Полученный мартенсит представляет собой пересыщенный твёрдый раствор углерода в α-железе и имеет тетрагональную кристаллическую решетку. Образование в результате закалки мартенсита приводит к большим остаточным напряжениям, при этом возрастает склонность к хрупкому разрушению, что требует проведения дополнительного последующего отпуска.
После высокого отпуска структура стали представляет собой сорбит отпуска.
Микроструктура поверхностного слоя, нагретого выше Асз, состоит из мартенсита. Микроструктура слоя, нагретого выше Ас1, но ниже Асз. -состоит из мартенсита и феррита. Глубинные же слои, нагретые ниже Ac1, не закалятся, поэтому будет иметь исходную микроструктуру, т.e. сорбит отпуска.
В результате низкого отпуска в закаленном слое мартенсит закалки переходит в мартенсит отпуска: ММотп.
Твердость поверхностного слоя шеек вала - HRC 54 - 56. В сердцевине же вала микроструктура не меняется и остается прежней -сорбит отпуска, поэтому ее твердость НRС 23. Возможно появление также переходной зоны, состоящей из мартенсита отпуска и феррита.

II. Лопатка штыковая.

Требуется высокая износостойкость режущей кромки.

Штыковая лопатка – практически плоское полотно с клинообразным или скругленным заточенным лезвием.
По ГОСТ 19596-87 штыковая лопата является копальной остроконечной –ЛКО.
Основное назначение – копание вглубь с прорезанием почвы и отделением ее слоев. На полотне также расположены наступы, при надавливании ногой на которые, инструмент легче заглубляется в почву. Штыковую лопату используют дворники, строители, военные, пожарные, металлурги, археологи и представители множества других профессий.
Стандартная лопата состоит из следующих элементов: полотно, черенок, тулейка.
Полотно – это рабочая часть, форма, размеры и параметры которой указывают на вид работ, для которых предназначен инструмент. Штыковая копальная лопата имеет практически плоское остроконечное полотно с заточкой.
Тулейка – деталь, удерживающая черенок в жестком сцеплении с полотном см. рис.2.1.

Рис .2.1 Тулейка
Полотно лопаты всегда делают легким, при этом оно должно быть и достаточно прочным. Полотна штыковых лопат должны выдерживать усилие изгибающего момента 180 Нм для полотна на расстоянии 115 мм от режущей кромки и 450Нм тулейки в месте перехода в полотно, Таким материалом, который отвечает таким характеристикам и имеет невысокую себестоимость – сталь.
Полотно и тулейка по ГОСТ 19596-87 выполняется из тонколистовой стали марок 30ХГС по ГОСТ 4543-71, 45, 50 по ГОСТ 1050-74, БСт5, БСт6 по ГОСТ 380-88 или других марок по физико-механическим показателям не ниже указанных.
Тонколистовой прокат из стали марок БСт5, БСт6, 10, 15, 20, 45 и 50 должен соответствовать требованиям ГОСТ 16523-70, 30ХГС по ТУ 14-1-4118-86.
Полотна штыковых лопат не менее чем на 90 % длины от режущей кромки должны быть термически обработаны до твердости 37... 53 HRC_э .
Останавливаем свой выбор на хромокремнемарганцовистой стали 30ХГС, которая обладает высокой прочностью и умеренной вязкостью.

Рис.2.2 Полоса прокаливаемости стали 30ХГС
Из рисунка 2.2 видно, что при толщине полотна 1, 6 мм твердость после закалки HRC 51…53.
30ХГС применяют после закалки и низкого отпуска или после улучшения (отпуск 520–540 ºС). Недостатком этой стали является сильная склонность к отпускной хрупкости I и II рода, склонность к обезуглероживанию (последнему способствует кремний).
Штыковые допускается изготовлять и без термической обработки.
В продажу поступают лопатки без термообработки и с термообработкой. Лопатки с термообработкой продаются под названием " каленые".
Кроме того, применяют рельсовую (пружинную) сталь, близкую по характеристикам к той, из которой изготавливают железнодорожные рельсы. Инструмент не подвержен коррозии, прочный и долговечный.
Применяют титановые лопаты, которые не уступают по прочности стальной и намного легче. Такой инструмент и не подвержен коррозии, но при этом очень прочный. Недостаток титановых вариантов – высокая стоимость.

Список использованной литературы

Петренко К.М, Технология конструкционных материалов Кемерово. КузГТУ ,2013.
Марочник сталей и сплавов / В.Г.Сорокин, А.В.Волосникова, С.А.Вяткин и др.; Под ред. В.Г.Сорокина, М.: Машиностроение, 1989.
Лопата, ее виды, конструкция, характеристики и выбор.екции по курсу материаловедения. https://instrumentn.ru/obshhij-razdel/lopata-ee-vidy-konstruktsiya-harakteristiki-i-vybor
Лопаты. Технические условия. ГОСТ19596-87. https://files.stroyinf.ru/Data2/1/4294852/4294852564.htm

жүктеу/скачать 462,6 Kb.

Достарыңызбен бөлісу: