Проект реконструкции участка для термообработки пружин слитковоза в условиях РМЦ - 2 ПАО ММК Им. Ильича с целью повышения эксплуатационной

 

 

В пружинных сталях общего назначения, обрабатываемых закалкой на мартенсит  с последующим отпуском, содержание остаточного аустенита должно быть минимальным. Остаточный аустенит даже в небольших количествах (2-4%) значительно понижает предел упругости стали и сопротивление релаксации напряжений, а при больших количествах (8-15%) может вызвать поломку пружины при заневоливании (выдержке под напряжением) или в процессе работы вследствие протекания изотермического мартенситного превращения, инициируемого внешней нагрузкой.

Проволока и лента, упрочняемая  путем закалки на мартенсит и  отпуска, имеют более высокие  значения предела упругости и  сопротивления релаксации, а также более высокие силовые характеристики пружин.

Пружинные стали общего назначения легируют элементами, повышающими предел упругости и сопротивление релаксации. В качестве легирующих элементов используют до 2,5% Si, до 1,0% Мn, до 0,5% Сr, Мо, W или V [4 с. 208]. Особенно благоприятно легирование пружинных сталей, упрочняемых путем закалки на мартенсит и отпуска, кремнием, который интенсивно повышает предел упругости. Однако содержание кремния ограничено 2,5-3,0%, так как при больших его значениях снижается пластичность и увеличивается вероятность графитизации при отжиге.

Графики влияния легирующих элементов  на механические свойства. 

 

 

Рисунок 1.2 - Влияние фосфора на σ_в и σ_т и ударную вязкость КСU

 

 

                    Легирующий элемент, % (ат.)

 

 

Рисунок 1.3 - Зависимость  предела текучести железа от содержания легирующих элементов замещения

 

Рисунок 1.4 - Влияние температуры  отпуска на твердость стали с  разным содержанием ванадия

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2 Выбор технологического процесса

 

Для изготовления пружин используют термически обработанную на заданный уровень прочности или холоднодеформированную, предварительно термически обработанную проволоку или ленту. Закаленная и отпущенная пружинная проволока или лента изготавливается из углеродистых и легированных сталей.

Пружины, изготовленные из термически обработанной ленты, подвергают отпуску при 240-250°С в течении 1ч для уменьшения внутренних напряжений и дополнительного распада остаточного аустенита, который может сохранится в структуре исходной ленты. Нагрев проводят в газовых печах в воздушной среде с тем, чтобы по плоскости среза при вырубке произошло образование тонкой окисной пленки, которая улучшает коррозионную стойкость пружин.

Основным видом термической  обработки пружин является закалка  с отпуском. Закалка должна обеспечить получение в структуре мартенсита без участков троостита и с  минимальным количеством остаточного  аустенита. Остаточный аустенит обладает пониженным пределом упругости, что  снижает сопротивление малым пластическим деформациям. Возможное превращение остаточного аустенита в мартенсит вызывает понижение релаксационной стойкости и склонности к замедленному разрушению. В связи с этим целесообразно после закалки проводить обработку холодом. Для выбранного типа пружин закалку холодом не применяем.

Релаксационная стойкость стальных пружин при равных значениях предела  прочности после закалки и  отпуска выше, чем после деформационного наклепа и отпуска, что связано с более равномерным распределением дислокаций в первом случае.

Для данного изделия выбираем режим: закалка с отпуском.

Режим термической обработки для  пружинной стали 50ХФГА

t_зак=850 ^оС; t_зак=470 ^оС (3.1) [4, с. 202]. 

3 Определение температуры нагрева пружин и режима нагрева

 

(3.1)

Изделия из доэвтектоидных углеродстых  и низколегированных сталей нагреваются  при закалке, нормализации и отжиге до температуры:

t_тк=АС₃+( 30 60),°С

 t_тк = 790 + 60 = 850°С

При нагреве изделий из сталей, легированных карбидообразующими элементами к значениям АС₁ и АС₃ добавляется 50 60°С, а если нагреваются изделия из углеродистых сталей и из сталей, легированных некарбидообразующими элементами, добавляется 30 40°С. Расчет времени нагрева необходимо начинать с определения критерия Био:

 

                                                                     (3.2)

 

где а - коэффициент теплоотдачи, Вт/м²۰К;

S - полутолщина или радиус изделия в наиболее массивной его части, м.

λ- коэффициент теплопроводности, Вт/ м²۰К.

 

Поскольку α и λ при нагреве изделия изменяются, то Вi обычно определяется по их средним значениям, то есть

 

                                                                     (3.2)

 

Средний коэффициент теплопроводности определяется как

среднеарифметическое значение из начальной и конечной его величин, которые приводятся в справочных таблицах.

 

 

Величину α_ср находим расчетом. В топливных печах и вентиляторных электрических печах а состоит из двух составляющих и определяется выражение:

 

                          а =а_к +а ,Вт/м² К,                                         (3.4)

 

где а_к - коэффициент теплоотдачи конвекцией, Вт/м²۰К;

     а_лср - средний коэффициент теплоотдачи лучеиспусканием, Вт/м²۰К.

 

Величина а_к зависит от скорости движения печных газов в рабочем пространстве и практически не зависит от температуры печи.

 

                          а_к = 5,3 + 3,6 • 2 = 12,5 м/с;

 

Средний коэффициент теплоотдачи излучением определяется по выражению:

 

   , Вт/м²۰К          (3.5)

 

где С₀ = 5,67 - коэффициент излучения абсолютно черного тела, Вт/м²۰К⁴

       _пр = 0,6 - приведенная степень черноты при нагреве в термических

печах с окислительной атмосферой;

       Т_с- температура печи, ⁰К ;

     Т_мн и Т_мк - соответственно температура металла при посадке в печь и в конце нагрева, ⁰К.

 

В термических печах обычно:

 

 Т_с = Т_мк + (20 40)°.

Т_мн = 20 °С; Т_мк = АС₃ + 60°С= 850°С; Т_с = 850 + 30 = 880°С;

 

=

=124,13 Вт/м²۰К

 

Подставим α_к и α_ср, найдем α_ср

 

α_ср=12,5+124,13=136,63 Вт/м²۰К.

 

Найдем коэффициент Bi:

 

                                                                    

 

Bi<0,25, нагреваемое изделие считается  теплотехнически тонким.

При определении времени нагрева  «тонкого» тела используется формула:

 

                                             (3.6)

 

где K_э - коэффициент экранирования, зависящий от укладки изделий в печи;

      m — масса изделия, кг;

        С_ср - средняя теплоемкость, Дж/кг۰К;

а_ср - средний коэффициент теплоотдачи, Вт/м²۰К;

 F - площадь тепловоспринимающей поверхности изделия, м²;

 t_с - температура печи, °С ;

 t_мн, и t_мк - соответственно начальная и конечная температура изделия, °С .

 

 

Средняя теплоемкость равна:

 

                                            m = 77,5 кг;

                                            К_э=1.

Площадь тепловоспринимающей поверхности  изделия:

F = = 3,14 • 0,05 • 3,925 = 0,61623, м²;

 

 

Время полученное расчетом, необходимо проверить. Для этого нужно определить время нагрева по соответствующей  номограмме Будина и сопоставить его с полученным. Для определения по номограмме кроме критерия Bi необходимо вычислить температурный критерий θ

 

 (3.7)

 

                    где . - конечная температура поверхности тонкого тела

 

=

 

Из номограммы мы нашли критерий Фурье (F_о=15), с его помощью определили .

   (3.8)

Находим время нагрева определяемое номограммой

  (3.9)

где a - коэффициент температуропроводности, м²1с

Время нагрева, определенное по номограмме

= 7812,5с = 2,17 часа

Расхождение с нашими вычисленным составляет менее 20 %. Значит наши расчеты верны

Для теплового расчета печи и  ее теплотехнических показателей имеет  существенное значение правильность назначения времени выдержки садки после  ее нагрева до заданной температуры, а также времени ее охлаждения, если садка охлаждается в печи, то есть при отжиге. Время выдержки составляет 40% от времени нагрева:

۰40% = 1,85۰40% = 0,74часа

При закалке в масле скорость охлаждения получается значительно  меньшая, чем в воде. В первый период, при температуре 650—550°С, масло охлаждает  со скоростью примерно в 6 раз меньшей, чем циркулирующая вода. Этого  уже недостаточно для закалки  углеродистых сталей, но вполне подходит для легированных. Зато во второй период, при температуре 200°С, скорость охлаждения в масле в 28 раз ниже, чем в воде. Это значительно уменьшает закалочные напряжения и опасность образования трещин. Такое преимущество масла позволяет закаливать в нем крупные детали сложной формы, не опасаясь возникновения трещин.

Закаливающая способность масел  мало зависит от температуры. Так, при  нагреве до 120—150°С скорость охлаждения в масле изменяется всего на 50°С/с. Практически это не влияет на результаты закалки. Не следует, однако, с учетом противопожарной безопасности допускать, чтобы температура закалочного масла была более 80—90°С. Перегретое масло слегка дымит. Это опасный признак. В случае вспышки масла бак следует немедленно закрыть крышкой или листами железа.

Промышленностью освоен выпуск специальных  закалочных масел серии МЗМ. Они содержат присадки, повышающие стойкость против окисления, улучшающие моющие свойства и снижающие пенообразование. Масло МЗМ-16 обладает высокой химической стойкость. Универсальность масла МЗМ-16 заключается в свойстве не вступать в химические реакциями с металлами в процессе их закалки. Закалочное масло МЗМ-16 может использоваться в работах как на открытом воздухе, так и в закрытом помещении.

Мойка

Выбор параметров отпуска:

Обеспечение пружинных свойств  детали (достаточная прочность и  высокая пластичность) может быть достигнуто при получении структуры троостит отпуска. Такая структура может быть получена в результате среднетемпературного отпуска. Так как при таком виде отпуска закаленное растянутое зерно мартенсита начинает сфероидезироваться. Снимаются сильные растягивающие напряжения в стали и что важно практически не наблюдается падение твердости. Время выдержки при отпуске составляет 40% времени нагрева.

Нагрев под отпуск проводят в  печи.

Охлаждение на воздухе.

 

 

 

Рисунок 3.1 - График термической обработки

 

4 Контроль качества

 

Наружный осмотр. На поверхности пружин не допускаются трещины, риски, волосовины и другие грубые дефекты. Для контроля ответственных пружин используют магнитную дефектоскопию.

Испытания под рабочей нагрузкой. Определяется высота пружины при  минимальных и максимальных рабочих  нагрузках. Часто используют обжатие  до соприкасания витков, при этом пружины из патентированной проволоки при первом обжатии дают остаточную деформацию, при последующих обжатиях значительного изменения свободной высоты не наблюдается, пружина становится стабильной.

Динамические испытания. Эти испытания  выполняют на копрах йод ударами свободно падающей бабы. Качество пружин оценивается наружным осмотром и измерением свободной высоты.

Испытания длительной нагрузкой. Они  характеризуют релаксационную стойкость  пружин. Их применяют для особо  ответственных пружин, эксплуатируемых при динамических и циклических нагрузках. Заневоливание выполняют путем выдержки пружин в сжатом состоянии в течении определенного времени при комнатной или повышенной температурах.

Длительное заневоливание (в течении  не менее 12 ч) применяют для пружин, поломка которых может вызвать аварию механизма. При этом испытывают надежность пружин при длительной нагрузке и достигают ограничение релаксации пружины при эксплуатации, то есть сохранение несущей способности пружины в установленных допусками пределах при заданной ее осадке. При выдержке под нагрузкой в пружине происходит релаксация напряжений, проявляющаяся в осадке пружины; при последующей эксплуатации осадка пружин увеличивается незначительно. Заневоливание обычно проводят при напряжениях на 10% выше рабочих напряжений в готовой пружине. Для крупных винтовых пружин

рекомендуют заневоливание при  напряжениях 0,5 в течении 20-30 часов.

 

 

 

 

5 Выбор и расчет оборудования

 

Термическая обработка пружин заключается  в закалке и отпуска с целью снижения остаточных напряжений.

Следовательно, термообработка включает: нагрев под закалку, охлаждения и отпуск. Поэтому, для термической обработки пружин необходимо выбрать основное оборудование, для выполнения технологических операций, связанных с нагревом и охлаждением деталей.

Выпуск пружин слитковоза в РМЦ - 2 МК «Ильича» не является массовым. Поэтому печи непрерывного производства использовать не целесообразно, так как они эффективны только в условиях массового производства. Для нагрева под закалку пружин слитковоза длинной 785 мм массой 77,5 кг могут быть использованы печи камерные с неподвижным подом (ТНО, СНО), камерные с выдвижным подом (ТДО, СДО), а также шахтные печи (ТШО, СШЗ).