Контрольная работа по дисциплине «Технологические основы термической обработки» на тему «Разработка технологического процесса термической обработки вала»

Контрольная работа

по дисциплине «Технологические основы термической обработки»
на тему «Разработка технологического процесса термической обработки вала»

Оглавление

Введение
. Описание условий работы вала и требования к нему

. Выбор и обоснование марки стали
. Разработка технологии термической обработки вала
. Контроль качества
Заключение
Список литературы

Введение

Вал - одно из самых распространенных изделий выпускаемой металлопродукции. Валы находят свое применение в самых разных механизмах, от небольших электродвигателей, до двигателей в атомных подлодках. Поэтому важен процесс выбора вида и режима термической обработки материала, из которого изготавливают валы.
Целью данной работы является подбор материала и режима термической обработки для вала сечением 42 мм.
Материал, из которого будет изготовлен вал, подбирают, таким образом, чтобы были обеспечены все требуемые механические свойства и, чтобы это было выгодно.
Термическую обработку проводят для обеспечения необходимого комплекса свойств вала. Термическая обработка, изменяя внутреннюю структуру металла, изменяет комплекс его свойств. Термическая обработка позволяет экономить металл за счет повышения его прочности, облегчать конструкции при высокой надежности.
Без термической обработки деталей не будут обеспечены требуемые требования и, соответственно, при эксплуатации таких деталей будет происходить их разрушение.
Также важен подбор среды охлаждения детали после термической обработки, потому что при неверном охлаждении на изделии могут возникнуть дефекты. Дефекты будут возникать различного характера, флокены, трещины, сколы и тому подобное вплоть до изменения геометрических размеров.
Поэтому, целью данной работы является разработка режимов термической обработки, заключающийся в подборе материала, из которого будет изготовлен вал, подбор охлаждающей среды для закалки, подбор температур и времени выдержки при нагревах под закалку и отпуск.
Чтобы убедиться в успешном проведении термической обработки проводят контроль. Контроль заключается в проверке на требуемые механические свойства материала, из которого изготовлено изделие и самого изделия.
вал сталь термический закалка
1. Описание условий работы вала и требования к нему

Общий вид вала, который устанавливается в электродвигателях, представлен на рисунке 1.1.

Рисунок 1.1 - Общий вид вала

Валы при работе подвергается кручению, ударным нагрузкам. Также может подвергаться изгибающим нагрузкам.

Материал, из которого будет изготовлен вал, должен обладать высокими показателями комплекса свойств по всему сечению. Должен обладать высокой твердостью, сопротивлением на ударный изгиб. Важно, чтобы вал после термической обработки не деформировался и сохранял свои геометрические размеры.
Основные требования к материалу:
ϭ_В = 930 - 960 Н/мм²;
ϭ_0,2 = 820 - 880 Н/мм²;
δ₅ > 12%;
KCU > 59 Дж/см²
Основные требования к изделию:
твердость ≈ 35 - 37 HRC;
соблюдение всех геометрических размеров детали.
2. Выбор и обоснование марки стали

Исходя из условий работы вал электродвигателя, сечением 42 мм может быть изготовлен из сталей марок 40ХН, 45ХН, 50ХН.

В таблице 2.1 представлен химический состав сталей.

Таблица 2.1 - Химический состав сталей, % (ГОСТ 4543-71) [2]

Марка стали	С	Si	Mn	Cr	Ni	P	S	Cu
40ХН	0,36-0,44	0,17-0,37	0,5-0,8	0,45-0,75	1,00-1,4	0,035	0,035	0,3
45ХН	0,41-0,49	0,17-0,37	0,5-0,8	0,45-0,75	1,00-1,4	0,035	0,035	0,3
50ХН	0,46-0,54	0,17-0,37	0,5-0,8	0,45-0,75	1,00-1,4	0,035	0,035	0,3

В таблице 2.2 представлены критические точки сталей.

Таблица 2.2 - Критические точки сталей, °С [2]

Марка стали	Ас1	Ас3	Аr3	Ar1	Mn
40ХН	735	768	700	660	305
45ХН	750	790	-	-	310
50ХН	735	755	690	660	300

Механические свойства сталей представлены таблице 2.3.

Таблица 2.3 - Механические свойства сталей

Сталь	Источник	Состояние поставки	Сечение, мм	ϭ0,2, Н/мм^2	ϭВ, Н/мм^2	δ5, %	KCU, Дж/см^2	Твердость HRC	Критический диаметр в масле, мм
40ХН	[5]	1*	до 80	750	920	17	54	33-43	18-56 (90%, М)
45ХН	[2]	2*	до 50	750	935	15	59	34-44	50 (90% М)
50ХН	[2]	3*	60	740	930	20	49	28-35	50 (90% М)

Примечание:

* - Нормализация при 870 - 925 ^оС; закалка с 790 ^оС в масле; отпуск при 540-600 ^оС;
* - Закалка с 815 ^оС в масле; отпуск 500-550 ^оС, охл в воде;
* - Закалка с 820 ^оС в масле; отпуск 500-600 ^оС, охл в воде.
В таблице 2.3 представлены показатели механических свойств сталей и их прокаливаемости. Из показателей следует, что все три стали могут быть использованы для изготовления вала. Но сталь 45ХН имеет свойства, которые подходят под требования свойств материала.
На рисунке 2.1 приведена изотермическая диаграмма стали 45ХН.



Рисунок 2.1 - Изотермическая диаграмма охлаждения стали 45ХН [2]
Из диаграммы видно, что для получения мартенсита 90% в структуре, нужно обеспечить скорость охлаждения при закалке примерно равную 30,8 ^оС/сек. Масло может обеспечить такую скорость охлаждения в детали сечением 42 мм. Структура будет состоять из мартенсита (90%) и бейнита (10%). Графики изменения механических свойств стали 45ХН в зависимости от температуры отпуска представлены на рисунках 2.2 и 2.3.
Из представленных графиков видно как будут менять свойства в закаленной стали в зависимости от выбора температуры отпуска. Для приведенных требований подходит температура отпуска 550 - 580 ^оС.



Рисунок 2.2 - Влияние температуры отпуска на механические свойства закаленной стали



Рисунок 2.3 -Влияние температуры отпуска на твердость закаленной стали
3. Разработка технологии термической обработки вала

Вал из стали 45ХН для обеспечения требуемых свойств подвергается улучшающей обработке, а именно закалке с высоким отпуском.

Рисунок 3.1 - Режим термической обработки для стали 45ХН

Температура нагрева под закалку определяется химическим составом и критическими точками и составляет:

Т_Н = Ас₃ +(30 - 50) ^оС

Т_Н = 790 +(30 - 50) = 820 - 840 ^оС

Время нагрева определяется по методу Гуляева А. П. [4]
Время нагрева под закалку составляет:

τ_Н = 0,1 • К₁ • К₂ • К₃• D,

где К₁ - коэффициент формы изделия: цилиндр, следовательно К₁ = 2;

К₂ - коэффициент нагревающей среды; у нас газовая следовательно К₂ = 2;
К₃ - коэффициент равномерности нагрева; К₃ = 2; (схема представлена на рис. 3.2)
D - минимальный размер максимального сечения; у нас D = 42 мм;
τ_Н = 0,1 • 2 • 2 • 2 • 42 = 33,6 ≈ 34 мин
На рисунке 3.2 представлена схема размещения изделий в печи.
Так как сталь легированная, то рассчитываемое время увеличивают на 50%:
τ_н= τ_н*1,5
τ_н=34*1,5= 51 мин



Рисунок 3.2 - Схема размещения валов в печи

Обрабатываемые изделия в печи размещаются на поддонах. С учетом нагрева поддона полученное время увеличивают еще на 20-30%:

τ_н=(1,2÷1,3)* τ_н

τ_н=1,3*51= 66,3 ≈ 66 мин

Время выдержки при нагреве под закалку составляет:

τ_В = (0,2…0,3) • τ_Н;

τ_В = 0,3 • τ_Н = 0,3 • 66 = 19,8 ≈ 20 мин;
Закалку проводят в масле марки МЗМ-26. Температура масла при закалке t_м=20-70 °С. Температура вспышки данного масла составляет 300°С, поэтому максимально допустимая рабочая температура масла должна быть на 20÷30°С ниже его температуры вспышки, для данного случая:
_р≤300 - (20÷30°С)=270÷280°С
_р≤270÷280°С
Промывка деталей осуществляется после закалки в воде, подогретой, до температуры 30-50°С. Затем вал подвергают отпуску при температуре 550-580 °С (рисунок 2.2 и 2.3).
Время нагрева при отпуске определяют по формуле:

τ_ОТП = (10 + τ_УД • δ) • К_л • К_пр,

где τ_УД = 1 - удельное время нагрева, мин/мм;

δ = 42 мм - диаметр вала;
К_л - коэффициент легированности = 1,5;
К_пр - коэффициент приспособления = 1,3.
τ_ОТП = (10 + 1 • 42) • 1,5 • 1,3 = 101,4 ≈ 101 мин
Охлаждение после отпуска производится в воде, так как сталь 45ХН склонна к отпускной хрупкости. Температура воды 20 - 40 °С
После термической обработки валы подвергают контролю качества.

Контроль качества

После проведения термической обработки изделие подвергается контролю качества.

Планируется выпуск валов партиями, состоящими из 20-ти валов. Каждый 10-й вал будет подвергаться испытаниям как опытный образец.
Последовательность проведения контроля качества:
1) Внешний осмотр детали на дефекты невооруженным глазом;
2) Проверка геометрических размеров детали штангенциркулем;
) Твердость поверхности вала будет измерена на твердомере Роквелла.
Заключение

В ходе работы был разработан режим термической обработки вала и был подобран материал, который бы удовлетворял требуемые механические свойства и смог работать в предложенных условиях работы.

Материал подбирался не только с учетом механических свойств, но и с учетом условий работы, экономической стоимости материала.
Было предложено три марки стали: 40ХН 45ХН, 50ХН. Эти стали подходят для изготовления вала, но рациональной маркой стали считается сталь 45ХН.
Был разработан режим термической обработки вала из стали 45ХН. В него входит закалка в масле (т.к. сталь легированная) и последующий высокий отпуск, дающий структуру сорбита отпуска, который довольно пластичный и одновременно прочный.
И в заключении был предложен метод контроля качества, который предлагает отбирать из партии в 20 валов каждый 10-й образец как опытный и подвергать его ряду испытаний.

Список литературы

1. Справочник термиста. /А.А. Попов, Л.Е. Попова; - М.: Машиностроение, 1961. - 430 с.

2. Марочник сталей и сплавов / В.Г. Сорокин, А.В. Волосникова, С.А. Вяткин и др; Под общ. ред. В.Г. Сорокина. - М.: Машиностроение, 1989. - 640 с.
3. Журавлев В.Н. Машиностроительные стали / В.Н. Журавлев, О.И. Николаева. Справочник - М.: Машиностроение, 1968. - 331 с.
. Гуляев А.П. Металловедение. Учебник для ВУЗов, 6-е издание / А.П. Гуляев, - Москва, 1986 - 544 с.
. Автомобильные конструкционные стали: Справочник/ Под ред. А.П. Гуляева и И.С. Козловского. - Москва: Машгиз, 1951. - 32 с.
. Качанов Н.Н. Прокаливаемость стали/ Н.Н. Качанов. - Москва: Металлургия, 1978. -192 с.