Статьи

Статьи » ГОСТы

« Назад

Разработка технологического процесса термической обработки вала 03.04.2018 18:49

Разработка технологического процесса термической обработки вала

ВАЛ, ЗАКАЛКА, СРЕДНИЙ ОТПУСК, ТЕРМИЧЕСКАЯ ОБРАБОТКА, ХИМИЧЕСКИЙ СОСТАВ, ТЕМПЕРАТУРА НАГРЕВА
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. 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: ϭВ = 930 - 960 Н/мм2; ϭ0,2 = 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/мм2 ϭВ, Н/мм2 δ5, % KCU, Дж/см2 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: 1* - Нормализация при 870 – 925 оС; закалка с 790 оС в масле; отпуск при 540-600 оС; 2* - Закалка с 815 оС в масле; отпуск 500-550 оС, охл в воде; 3* - 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: ТН = Ас3 +(30 – 50) оС ТН = 790 +(30 – 50) = 820 – 840 оС Время нагрева определяется по методу Гуляева А. П. [4] Время нагрева под закалку составляет: τН = 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; τН = 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%: τн= τн*1,5 τн=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%: τн=(1,2÷1,3)* τн τн=1,3*51= 66,3 ≈ 66 мин Время выдержки при нагреве под закалку составляет: τВ = (0,2…0,3) • τН; τВ = 0,3 • τН = 0,3 • 66 = 19,8 ≈ 20 мин; Закалку проводят в масле марки МЗМ-26. Температура масла при закалке tм=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: tр≤300 – (20÷30°С)=270÷280°С tр≤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: τОТП = (10 + τУД • δ) • Кл • Кпр, где τУД = 1 - удельное время нагрева, мин/мм; δ = 42 мм – диаметр вала; Кл – коэффициент легированности = 1,5; Кпр – коэффициент приспособления = 1,3. τОТП = (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. 4. 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: Внешний осмотр детали на дефекты невооруженным глазом; 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.