Разработка режимов по термической обработке

Содержание:

    Введение

1.Описание распределительного вала.

2. Условия эксплуатации

3. Химический состав стали.

4. Разработка режимов по термической обработке

5.Список используемой литературы

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Введение

      Термическая обработка является составной частью большинства технологических процессов изготовления деталей, машин и инструмента. Термическая обработка позволяет повысить эффективность использования металлов и сплавов, приводит к снижению расхода материалов, а следовательно и веса конструкции. Главная задача специалиста по термической обработке правильно подобрать виды и режимы термической обработки для конкретного изделия, исходя из условий эксплуатации детали, чтобы на выходе получить оптимальную структуру и свойства материала, которые увеличат срок службы детали и увеличат надежность конструкции или механизма.  Он должен определить очередность термической обработки относительно других видов обработки (механическая обработка или обработка давлением), для повышения технологичности материала. Таким образом, термическая обработка является связующей, переходной и определяющей составляющей для большинства технологических процессов.        Основными видами термической обработки, различно изменяющими структуру и свойства стали и назначаемыми в зависимости от требований, предъявляемых к полуфабрикатам (отливкам, поковкам, прокату и т.д.) и готовым изделиям, являются отжиг, нормализация, закалка и отпуск.

Отжиг I рода 
Этот вид отжига в зависимости от температурных условий выполнения устраняет физическую или химическую неоднородность, созданную предшествующими обработками. Характерная особенность этого отжига состоит в том, что устранение неоднородности происходит независимо от того, протекают ли в сплавах при этой обработке фазовые превращения или нет. Поэтому отжиг I рода можно производить при температурах выше или ниже температур фазовых превращений.

Отжиг II рода 
Заключается в нагрев стали до температуры выше точки Ас3 или Ас1, выдержке и последующим, как правило, медленном охлаждении, в результате которого фазовые превращения приводят к достижению практически равновесного структурного состояния. 
После отжига углеродистой стали получаются структуры: феррит и перлит в доэвтектоидных сталях, перлит в эфтектоидной стали, перлит и первичный цементит в доэфтектоидных сталях.

Нормализация                                                                                                            Она заключается в нагреве доэвтектоидной стали до температуры, превышающей точку Ас3 на 50 ºС, а эвтектоидной стали выше Аст также на 50 ºС, непродолжительной выдержке для прогрева садки и завершения фазовых превращений и охлаждений на воздухе. Нормализация вызывает полную фазовую перекристаллизацию стали и устраняет крупнозернистую структуру, полученную при литье или прокатке, ковке или штамповке. 
Ускоренное охлаждение на воздухе приводит к распаду аустенита при более низких температурах, что повышает дисперсность феррито-цементитной структуры и увеличивает количество перлита.  
Назначение нормализации различно в зависимости от состава стали. Для низкоуглеродистых сталей нормализацию применяют вместо отжига. Нормализацию с последующим высоким отпуском (600-650 ºС) часто используют для исправления структуры легированных сталей вместо полного отжига, так как производительность и трудоемкость этих двух операций выше, чем одного отжига.

Закалка                                                                                                             Закалка – это термическая обработка, заключается в нагреве стали до температуры выше критической или температуры растворения избыточных фаз, выдержке и последующем охлаждении со скоростью, превышающей критическую. 

Отпуск                                                                                                              Отпуск заключается в нагреве закаленной стали до температуры ниже Ас1, выдержке при заданной температуре и последующем охлаждении с определенной скоростью. Отпуск является окончательной операцией термической обработки, в результате которой сталь получает требуемые механические свойства.                                                                                  Низкий отпуск проводят с нагревом до 150-200 ºС, реже до 240-250 ºС. при этом снижаются внутренние напряжения, мартенсит закалки проводится в отпущенный мартенсит, повышается прочность и немного улучшается вязкость без заметного снижения твердости. Продолжительность отпуска обычно 1-2.5 часа, а для больших сечений и измерительных инструментов назначают более длительный отпуск. 
Среднетемпературный отпуск выполняют при 350-500 ºС и применяют главным образом для пружин и рессор, а также для штампов. Такой отпуск обеспечивает высокий предел упругости, предел выносливости и реакционную стойкость. 
Высокотемпературный отпуск. Его проводят при 600-680 ºС. структура стали при высоком отпуске – сорбит отпуска. Высокий отпуск создает наилучшее соотношение прочности и вязкости стали. Его проводят с целью: 
1. Снижение внутреннего напряжения; 
2. Снижение твердости для обдирки слитка. 
Закалка с высоким отпуском по сравнению с нормализованным или отожженным состоянием одновременно повышает предел прочности и текучести, относительное сужение и особенно ударную вязкость. Термическую обработку, состоящую из закалки и высокого отпуска, называют улучшением. Отпуск при 
550-600 ºС в течение 1-2 часов почти полностью снимает остаточно напряжение, возникшее при закалке. Чаще длительность высокого отпуска составляет 1-6 часов в зависимости от габаритных размеров изделий. [1]

 

1. Описание распределительного вала

   Распределительный вал — основная деталь газораспределительного механизма (ГРМ), служащего для синхронизации впуска или выпуска и тактов работы двигателя.

   В современных  автомобильных двигателях, как правило,  расположен в верхней части  головки блока цилиндров и соединён со шкивом или зубчатой звёздочкой коленчатого вала ремнём или цепью ГРМ соответственно и вращается с вдвое меньшей частотой, чем последний (на 4-тактных двигателях). В прошлом была широко распространена схема с нижним расположением распределительного вала. Составной частью распределительного вала являются его кулачки, количество которых соответствует количеству впускных и выпускных клапанов двигателя. Таким образом, каждому клапану соответствует индивидуальный кулачок, который и открывает клапан, набегая на рычаг толкателя клапана. Когда кулачок «сбегает» с рычага, клапан закрывается под действием мощной возвратной пружины. [3]

 

  

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Рис. 1. Распределительный вал

 

 

 

2. Условия эксплуатации

 

   Распределительного вал обязан выдерживать режим работы двигателя при самых разных оборотах коленчатого вала, при плюс 1000 ⁰С в цилиндрах и минус 50 ⁰С на улице, часами, а порой и сутками, непрерывно, почти без отдыха. При этом вал должен не только заставлять двигаться связанные с ним клапаны, но и беречь их от перегрузок.

   Важнейший элемент распределительного  вала — кулачок. Толстая, или  широкая, часть его предназначена  для отдыха, тонкая — самая  нагруженная. У него важны абсолютно  все участки поверхности, которые с соответствующими названиями показаны на рис. 1. Причем важность и тонкость расчета профиля каждой части кулачка постоянно возрастают по мере роста максимального числа оборотов у двигателей.

Рис. 2 Профиль кулачка

   На рисунке 1 изображены: 1- сектор отдыха; 2 – сектор ускорения; 3 – боковая поверхность; 4 – вершина; 5- сектор максимального открытия клапана.

   Поворачиваясь вместе с  валом, кулачок должен выбрать  тепловой зазор в работающей  с ним паре трения и начать  подъем клапана от седла, подготавливая его к полному открытию. Здесь в дело включается сектор ускорения. От профиля этого участка кулачка зависит скорость подъема клапана и характер нарастания нагрузок на кулачок от клапанной пружины. В свободном состоянии пружина прижимает клапан к седлу с усилием до 15 килограмм. При полном открытии клапана сопротивление пружины добавляет еще  30 килограмм. Если учесть, что соотношение плеч рычагов в клапанном приводе не в пользу кулачка, то нагрузка на него возрастает и в максимальном значении может приблизиться к 50 килограмм. Распределяется же она всего лишь на тоненькой линии по всей ширине кулачка, площадь которой, как правило, не более 0,2 мм².

   Все эти цифры приблизительны, но их значения близки к  реальным для большинства легковых  двигателей, и благодаря им можно посчитать удельные нагрузки на рабочую площадь поверхности кулачка. Грубый подсчет даст величину 200 кг/мм².

   Выдержать такие громадные  нагрузки могут только специальные  стали или отбеленный чугун,  из которых делаются распределительные валы современных моторов, да и то при условии упрочняющей термообработки их, хорошей смазки и точного соблюдения времени работы и отдыха кулачков, что определяется зазорами. От величины «зазоров в клапанах» зависит и как — с ударом или постепенно — начнет открываться клапан, и как — мягко или с отскоком — сядет он обратно в седло.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

3. Химический состав стали и её свойства.

Сталь 20Х – конструкционная, легированная. 
Назначение – втулки, валы, шестерни, обоймы, гильзы, диски, рычаги и др. детали к которым применяются требования высокой поверхностной твёрдости при не высокой прочности сердцевины детали. 
Таблица 3.1 
Температура критических точек.

Ас1	Ас3 (Асм)	Аr3 (Аrсм)	Аr1	Мн
750	825	755	665	390

 

 

 

 

 

 

 

Таблица 3.2

Мех. свойства (ГОСТ 8479-70)

Механические  свойства поковок из стали 20Х
Термообработка	Сечение, мм	КП	σ0,2 (МПа)	σв(МПа)	δ5 (%)	ψ %	KCU (кДж / м2)	НВ, не более
Нормализация	до 100  100-300  300-500	195	195	390	26  23  20	55  50  45	59  54  49	111-156
	до 100  100-300	215	215	430	24  20	53  48	54  49	123-167
	до 100	245	245	470	22	48	49	143-179
Закалка. Отпуск	100-300	245	245	470	19	42	39	143-179
	до 100  100-300	275	275	530	20  17	40  38	44  34	156-197
	100-300  100-300	315  345	315  345	570  590	14  17	35  40	34  54	167-207  174-217

Таблица 3.3 
Химический состав % (ГОСТ 4543-71)

C	Si	Mn	Cr	P	S	Cu	Ni
0.17-0.23	0.17-0.37	0.5-0.8	0.7-1.0	0.035	0.035	0.3	0.3

 

Механические свойства проката

Заготовка – пруток. 
Важные термообработки- 
Цементация - 920-950ºС на воздухе 
Закалка – 800 ºС в воде

Отпуск – 190 ºС на воздухе 
Сечение – 60 мм 
Условный предел текучести не менее 390 МПа

Временное сопротивление разрыву ( предел прочности при растяжении) – не менее 640 МПа 
Относительное удлинение при разрыве не менее13 % 
Относительное сужение не менее 40% 
Ударная вязкость, определённая на образце с концентраторами типа U (KCU) – не менее 49Джсм 
Твердость по Бринеллю не более 250

Технологические свойства 
Температура ковки, начала 1260 ºС, конца 750ºС. 
Заготовки сечением до 200 мм охлаждаются на воздухе, 201-700 подвергаются низкотемпературному отжигу. 
Сваривается без ограничений (кроме химико термической обработки деталей) 
Способы сварки- ручная дуговая сварка, контактная. 
Обрабатывается резаньем – в горячем состоянии при НВ 131 и 
Gв=450Мпа, Коб.ст=1,3, Котв.спл=1,7 
Заменитель – стали 15Х, 20ХН, 12ХН2, 18ХГТ

Таблица 3.4

Механические свойства при температуре отпуска 200 С

Механические  свойства стали 20Х в зависимости от температуры отпуска
Температура отпуска, °С	σ0,2 (МПа)	σв(МПа)	δ5 (%)	ψ %	KCU (кДж / м2)
Пруток диаметром 25 мм. Закалка 900 °С, масло
200	650	880	18	58	118

 

 

Таблица 3.5 
Предел выносливости при n=10

Предел  выносливости стали 20Х
σ-1, МПА	n	Термообработка
	107	σ4001/10000=137 МПа, σ4001/100000=88 МПа, σ5001/10000=59 МПа
235		Нормализация. σ0,2=295-395 МПа, σв=450-590 МПа, HB=143-179
395		Закалка. Высокий  отпуск. σ0,2=490 МПа, σв=690 МПа, HB=217-235
412		Цементация. Закалка. Низкий отпуск. σ0,2=790 МПа, σв=930 МПа, HRC=57-63

 

 

Таблица 3.6 
Ударная вязкость kcu, Дж/см²

Ударная вязкость стали 20Х KCU, (Дж/см2)
Т= +20 °С	Т= -20 °С	Т= -40 °С	Т= -60 °С	Термообработка
280-586	280-289	277-287	261-274	Пруток диаметром 115 мм. Закалка. Отпуск