Проект термического участка мощностью 900 т/год в условиях АО Завод РГТО

Так как вал двигателя воспринимает в работе динамические нагрузки, а  также и вибрации, более целесообразно применить закалку и отпуск. После закалки в воде углеродистая сталь 45 получает структуру мартенсита. Однако вследствие небольшой прокаливаемости углеродистой стали эта структура в изделиях диаметром более 20-25 мм образуется только в сравнительно тонком поверхностном слое толщиной до 2-4 мм.

Последующий отпуск вызывает превращение  мартенсита в сорбит только в тонком поверхностном слое, но не влияет на структуру и свойства основной массы  изделий. Сталь со структурой сорбита  отпуска обладает более высокими механическими свойствами, чем сорбита закалки и феррита+перлита. Наибольшие напряжения от изгиба, кручения и повторно переменных нагрузок воспринимают наружные слои, которые и должны обладать повышенными механическими свойствами. Однако в сопротивлении динамическим нагрузкам, которые воспринимает вал, участвуют не только поверхностные, но и нижележащие слои металла. Таким образом углеродистая сталь не будет иметь требуемых свойств по сечению вала диаметром 50 мм.

Сталь 20Х2Н4А легирована никелем  и хромом для повышения прокаливаемости и закаливаемости. Она получает после закалки достаточно однородную структуру и механические свойства в сечении диаметром до 75 мм. Для стали 20Х2Н4А рекомендуется термическая обработка:

1. Закалка с 790-820⁰С в масле.

При закалке с охлаждением в масле возникают меньшие напряжения,  а следовательно и меньшая деформация. После закалки сталь имеет структуру мартенсит и твердость не ниже 50 НRC.

2. Отпуск 350-400⁰С. Для предупреждения отпускной хрупкости, к которой чувствительны стали с хромом ( или с марганцем), вал после нагрева следует охлаждать в масле. Механические свойства 20Х2Н4А в изделии диаметром до 75 мм после термической  обработки:

Предел прочности σ_в, МПа.....................................900-1000

Предел текучести  σ_0,2, МПа...........................................1050

Предел выносливости σ_-1 МПа………………….....400-430

Относительное удлинение  δ,%......................................7-12

Относительное сужение  φ%........................................45-50

Ударная вязкость КСU, кДж/м²…………………………..9

Таким образом, эти свойства обеспечивают требования, необходимые  для вала, работающего в тяжелонагруженных  условиях.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2 Выбор технологического процесса

 

 Цель любого процесса  термической обработки состоит  в том, чтобы нагревом до определенной температуры и последующем охлаждением вызвать желаемое изменение строения металла.

Детали сменного металлургического  оборудования предназначены для  работы в различных условиях. Задачей  термической обработки является получение необходимых механических свойств, которые будут удовлетворять условиям работы данных деталей. В качестве термической обработки применяется: закалка, закалка c нагревом ТВЧ, нормализация, отпуск.

Температурой нагрева  металла считают конечную температуру поверхности заготовки, которая должна обеспечивать равномерный прогрев заготовки по всему сечению и длине.

Общая продолжительность  нагрева, т.е. время пребывания изделия  в нагреваемой среде состоит  из двух слагаемых τ_нагр при этой заданной температуре и τ_выд при этой температуре.

 

τ_общ = τ_нагр+ τ_выд

 

Время выдержки детали до достижения заданной температуры должно быть достаточным для ее прогрева от поверхности до сердцевины в наибольшем сечении, а также для полного завершения в сплаве тех, имеющих диффузионный характер структурно-фазовых превращений, которые должны происходить в нем при заданной температуре.

 

Режимы термической  обработки приведены в таблице 2.1

Таблица 2.1 – Режим термической обработки

Наименование детали	Марка стали	Вид термической обработки	Температура нагрева,ºС	Время нагрева τобщ ,ч
Вал	20Х2Н4А	нормализация отпуск цементация газовая закалка отпуск закалка с нагревом ТВЧ отпуск	860-880 620-630 860-880   790-820 350-400     810-840 180-200	2,5-3,0 2,0-2,5 15-16   2,0 2,5-3,0       2,5-3,0
Втулка зубчатая	40Х	закалка в масле отпуск в воде	840-860   550-560	1,7   2,6

Продолжение таблицы 2.1

Обойма	45	закалка в воде отпуск	830-850   520-550	1,2   3
Втулка	35ХМ	Закалка в масле Отпуск (вода)	850 560	2,6   3
Звездочка	40ХН	Закалка Отпуск	720-730 540-550	2,6
Шток	35ХГСА	Закалка в масле Отпуск (вода)	880   540	4   3

 

 

Время выдержки при заданной температуре τ_В можно упрощенно принять равным 1,5 – 2 мин для легированных сталей. При нагреве крупных деталей (когда τ_Н значительно больше, чем 1 – 2 мин), величиной τ_В  можно пренебречь.

Время нагрева до заданной температуры τ_Н можно определить следующим способом, используя формулу (2).

 

τ_Н =0,1К_1*К₂*К₃*Д₁          (2)

τ_Н═ 0,1*2*2*2*1*50═40/50═0,8ч.

где а – коэффициент, определяемый экспериментально, в сек/мм;

D – диаметр изделия в мм.

Время выдержки при закалке  определяют по формуле: τ_в═(0,3* τ_Н)+0,3

τ_в═(0,3*70)+0,3+0,3═21,6 мин.

τ_общ= 21,3+70=91,3 мин.

 

Определение времени  нагрева при отпуске

10 мин+60 мин=70 мин/60=1,16ч

t_отп.=10^َ+1 мин/1мм у.т.

у.т.=фактическая толщина детали×коэфициент формы.

Определим время нагрева до температуры 860 ⁰С.

у.т.=50×2=100мм

S=50/2=25мм

τ_Н=10َ+1×25=35َ

τ=b·D=0,35×10=3,5 мин.

τ_Н =75َ+0,5×35=92,5َ=1,5ч.

 

 

 

 

 

 

3 Выбор технологического  оборудования

 

Оборудование следует  подбирать в соответствии с принятым технологическим процессом габаритными размерами поковок, их массой  и марками стали.

Выбранное оборудование должно обеспечить выполнение режимов  термической обработки (температуры, скорости нагрева и охлаждения) и  заданной годовой программы.

Оборудование термических  участков подразделяется на основное технологическое, вспомогательное  технологическое, контрольно-измерительное, теплоэнергетическое и подъемно-транспортное.

К основному технологическому оборудованию относятся термические печи, охлаждающие устройства (камеры для медленного охлаждения, закалочные баки).

К вспомогательному технологическому оборудованию относятся правильные прессы, моечные машины и т.д.

К контрольно-измерительному оборудованию относятся щиты управления, потенциометры, термопары.

 

3.1 Выбор основного  оборудования

 

Выбор основного оборудования необходимо начинать с анализа имеющегося на заводе оборудования. Нужно проанализировать его достоинства и недостатки, рассмотреть, какие виды основного  оборудования могут быть вообще применены для осуществления предлагаемых в проекте режимов термической обработки или обладают большей производительностью, обеспечивают лучшее качество термической обработки, лучше механизированы и автоматизированы.

Оборудование  термических участков подразделяется на основное технологическое, вспомогательное технологическое, контрольно-измерительное, теплоэнергетическое и подъемно-транспортное.

К основному оборудованию относится оборудование, предназначенное  для осуществления основных операций технологического режима термической обработки (нагрев, выдержка, охлаждение), т.е. печи, печи-ванны, нагревательные установки и устройства, закалочные баки, прессы, машины и др.

Тип оборудования для  проектируемого цеха (отделения) выбирается на основании технологических процессов и режимов термической обработки деталей  (изделий) с таким расчетом, чтобы полностью обеспечить выполнение предложенного технологического процесса термообработки.

К вспомогательному технологическому оборудованию относятся правильные прессы, моечные машины и т. д.

К контрольно-измерительному оборудованию относятся потенциометры, термопары.

В проектируемом участке  термической обработки деталей  для нагрева под закалку и  отпуск, нормализацию и газовую цементацию предлагается использовать шахтные и камерные электропечи. Электрические печи имеют ряд преимуществ перед топливными печами: отсутствие дымовых газов; не требуются дымососные системы; хорошая теплоизоляция; легкость регулирования температуры; возможность применения контролируемых атмосфер; хорошие санитарные условия в цехе.

Шахтные печи предназначены  для различных процессов термической (отжиг, нормализация, закалка, высокий  и низкий отпуск) и химико-термической  обработок. Шахтные печи типа Ц25, Ц35, Ц60, Ц90, Ц105 широко применяют для газовой цементации, нитроцементации и азотирования деталей.

Для нормализации, закалки  и отпуска  валов применяются  шахтные муфельные электропечи  типа Ц-105А.

Шахтная муфельная электропечь  типа Ц-105А предназначена для газовой  цементации и нитроцементации стальных изделий. Они применяются при мелкосерийном производстве или при небольших производительностях обрабатываемых изделий. Муфельные электропечи не требуют длительного времени на восстановление цементационной атмосферы по сравнению с безмуфельными электропечами «СШЦ». Электропечи могут быть использованы с применением жидких и газообразных карбюризаторов.

 

3.1.1 Краткое описание конструкции шахтной электропечи Ц-105А

 

       Процесс цементации в электропечи Ц-105А осуществляется в реторте, которая установлена на специальной литой подставке. Сверху реторта закрывается футерованной крышкой. Уплотнение крышки обеспечивается песочным затвором. На крышке предусмотрены патрубки для выхода газа, для свидетелей и подачи карбюризатора от специального бочка через капельницу. На крышке установлен вентилятор, обеспечивающий перемешивание газовой смеси внутри реторты.

Подъем и опускание  крышки осуществляется электромеханическим  приводом, поворот крышки – вручную.

Обработанные изделия загружаются  в печь в литых жароупорных корзинах; загрузка вала осуществляется на специальных приспособлениях с подвеской.

Нагреватели, выполненные из нихромовой проволоки в виде спиралей, укладываются на керамических колодках по боковой  стенке и на поду электропечи.

Огнеупорная и теплоизоляционная кладка выполнена из лекговесного шамота и перлитовых плит на керамической связке и диатомитового кирпича.

Регулировка температуры в печи осуществляется автоматически. Питание  печи осуществляется от сети переменного  тока напряжением 380 и 220 В.

Для установки и обслуживания электропечи  требуется специальный приямок, с тем расчетом, чтобы горловина  находилась на уровне 600-700м выше уровня пола цеха. В случае установки печи на уровне пода необходима специальная  площадка для ее обслуживания. Преимущества данной конструкции:

• уменьшение тепловых потерь;
• увеличение стойкости нагревателей;
• улучшение герметичности электропечей;
• улучшение равномерности крышки.

Индекс «А»  в названии печи означает:

- улучшение тепловой  изоляции кладки электропечей: взамен диатомитового кирпича и диатомитовой засыпки на боковых стенках электропечи применены перлитовые плиты на керамической основе;