Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

РЕФЕРАТ

Данная магистерская работа на тему: «Теоретико-экспериментальное обоснование повышения износостойкости пары трения кольцо-маслоотражатель турбокомпрессора методом отпуска» состоит из введения, 5-ти разделов, общих выводов, списка литературы.

Работа содержит 21 рисунков, 9 таблиц и приложение. Полный объем работы 73 страницы. При разработке работы был использован 41 литературный источник.

Целью исследований является повышение износостойкости деталей торцевого уплотнения турбокомпрессора.

Были проведены исследования по определению влияния режимов закалки на твердость стали 40Х, из которой изготавливается маслоотражатель торцевого уплотнения. Также были проведены исследования по определению влияния режимов отпуска высокопрочных чугунов на твердость и износостойкость колец торцевого уплотнения.

Результаты исследований показали, что с увеличением температуры закалки стали 40Х увеличивается твердость маслоотражателя. С увеличением температуры отпуска высокопрочных чугунов уменьшается твердость и износостойкость колец. Наибольшей износостойкостью обладает чугун марки ВЧ-50 Гомельского завода спецлитья (республика Беларусь).

Ключевые слова: турбокомпрессор, торцевое уплотнение, кольцо, маслоотражатель, режимы термообработки, закалка, отпуск, высокопрочный чугун, сталь, массовый и линейный износ.

ОГЛАВЛЕНИЕ

• ВВЕДЕНИЕ
• РАЗДЕЛ 1. АНАЛИЗ ПРИЧИН СНИЖЕНИЯ РЕСУРСА ТУРБОКОМПРЕССОРОВ И ПУТИ ПОВЫШЕНИЯ ИЗНОСОСТОЙКОСТИ ДЕТАЛЕЙ ТОРЦЕВОГО УПЛОТНЕНИЯ
• 1.1 Назначение турбокомпрессоров
• 1.2 Торцевые уплотнения турбокомпрессоров
• 1.3 Пути повышения износостойкости деталей торцевого уплотнения
• 1.4 Термообработка чугунов как способ повышения износостойкости колец
• 1.5 Термическая обработка сталей как способ повышения износостойкости маслоотражателя
• Цель и задачи исследований
• РАЗДЕЛ 2. ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ПРЕДПОСЫЛКИ ПОВЫШЕНИЯ ИЗНОСОСТОЙКОСТИ ДЕТАЛЕЙ ТОРЦЕВОГО УПЛОТНЕНИЯ ТУРБОКОМПРЕССОРОВ
• 2.1. Термообработка, как метод повышения износостойкости
• 2.2. Выбор материала деталей
• РАЗДЕЛ 3. МЕТОДИКА ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ
• РАЗДЕЛ 4. РЕЗУЛЬТАТЫ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ
• РАЗДЕЛ 5. ЭКОНОМИЧЕСКАЯ ЭФФЕКТИВНОСТЬ ВНЕДРЕНИЯ РЕЗУЛЬТАТОВ ИССЛЕДОВАНИЙ
• ОБЩИЕ ВЫВОДЫ
• СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

ВВЕДЕНИЕ

РАЗДЕЛ 1 АНАЛИЗ ПРИЧИН СНИЖЕНИЯ РЕСУРСА

ТУРБОКОМПРЕССОРОВ И ПУТИ ПОВЫШЕНИЯ

ИЗНОСОСТОЙКОСТИ ДЕТАЛЕЙ ТОРЦЕВОГО УПЛОТНЕНИЯ

1.1 Назначение турбокомпрессоров

Более ста лет человечество использует технологии, связанные с двигателями внутреннего сгорания. Однако всё это время они не стояли на месте, а динамично развивались. Пятидесятые годы ХХ века ознаменовались прорывом в этой сфере, потому что впервые, после своего появления в 1905 году, массово были задействованы турбокомпрессоры (рис. 1.1) [8].

Так как турбокомпрессоры обладают рядом достоинств, в сравнении с атмосферными (или безнаддувными) двигателями, это даёт ряд преимуществ их владельцам. Во-первых, турбокомпрессоры дают гораздо более высокое соотношение массы к мощности двигателя, что позволяет значительно уменьшить вес и объём двигателя. Во-вторых, турбокомпрессоры позволяют гораздо меньше переключать передачи, особенно на горных дорогах, что делает вождение “мягче”. Мало того, турбокомпрессоры помогают компенсировать снижение атмосферного давления, поэтому двигатели, оснащённые ими, всё равно работают на стандартную мощность. В-третьих, турбокомпрессоры позволяют обеспечить более эффективное сгорание топлива, что ведёт к его значительной экономии. Только за прошлые 25 лет турбокомпрессоры дали возможность сократить потребление горючего на 40%, и это притом, что средняя скорость автомобилей увеличилась на 50%. Кроме того, поскольку турбокомпрессоры улучшают сгорание топлива, это позволяет уменьшить токсичность отработанных газов, что следует учесть владельцам автомобилей, часто посещающих страны с высокими экологическими требованиями.

Рисунок 1.1. Турбокомпрессор в разрезе: 1 - улитка компрессора; 2 - корпус; 3 - стопорные кольца; 4 - стяжной хомут; 5 - улитка турбины; 6 - уплотнительное кольцо со стороны турбины (аналогичное есть со стороны компрессора, на рис. его не видно); 7 - колесо турбины; 8 - промежуточные втулки подшипников скольжения; 9 - упорный подшипник скольжения; 10 - колесо компрессора; 11 - гайка.

На сегодняшний день существуют турбокомпрессоры, использующие различный подход к решению поставленных перед ними задач. Одним из таких методов, более традиционных, является постоянная турбокомпрессия. Турбокомпрессоры, работающие по принципу постоянной турбокомпресси, колебания давления гасят при помощи солидного выхлопного коллектора, что обеспечивает проход большого числа газов с низким давлением даже на высоких оборотах. Поскольку выхлопные газы выбрасываются с меньшим сопротивлением, турбокомпрессоры помогают в некоторых случаях снизить расход топлива. Однако, постоянная турбокомпрессия имеет намного меньший крутящий момент, особенно на низких оборотах, поэтому турбокомпрессоры с постоянной турбокомпрессией используются на двигателях, не нуждающихся в резком увеличении крутящего момента. К примеру, это могут быть промышленные или морские двигатели.

В двигателях, которым важно получить высокий крутящий момент и при низких скоростях, используются турбокомпрессоры, в которых применяется технология пульсирующей турбокомпрессии. Такие турбокомпрессоры не нуждаются в больших выпускных коллекторах, это практически полностью сохраняет кинетическую энергию, которой обладают выхлопные газы, что выходят из цилиндра. Подобный эффект достигается путём соединения выпускных коллекторов, поскольку цилиндры не сообщаются друг с другом и давление в каналах не постоянно.

Поначалу турбокомпрессоры использовались преимущественно в дизельных двигателях, это и понятно, поскольку в силу принципа работы они больше нуждаются в увеличении давления воздуха. Современные турбокомпрессоры позволили дизельным двигателям значительно снизить выброс СО₂ в сравнении с двигателями такой же мощности, работающими на бензине, а использование технологии прямого впрыска снизило расход топлива на 15%. Но тут возникает вопрос: почему же большинство автомобилей в Европе продолжает использовать бензиновые двигатели, если дизельные так хороши? Ответ прост - каждый тип двигателя имеет ряд преимуществ и недостатков, иначе бы дизельные двигатели, на которых установлены турбокомпрессоры, давно бы вытеснили с рынка бензиновые двигатели. Одним из главных недостатков дизельного двигателя является его размер, поэтому большинство легковых автомобилей, особенно малолитражные, оснащаются бензиновыми двигателями. Кроме того, поскольку интенсивность движения постоянно растёт, нагрузка на легковые автомобили может быть неполной и именно бензиновый двигатель, благодаря своему меньшему объёму, снижает потери энергии. Но что делать, если экологические стандарты для разных типов двигателей практически не отличаются, да и сэкономить на бензине тоже хочется? Конструкторы придумали выход - установили турбокомпрессоры на бензиновые двигатели. Именно благодаря тому, что турбокомпрессоры появились на бензиновых двигателях, это уравняло их с дизельными двигателями и в экономичности, и в экологическом плане. И хотя турбокомпрессоры на бензиновых двигателях пока стоят, в основном, на спортивных автомобилях, подобная технология пользуется всё большей популярностью, как среди производителей, так и среди потребителей, оценивших все её преимущества (рис. 1.2) [9].

Рисунок 1.2. Принцип работы турбокомпрессора [10].

1.2 Торцевые уплотнения турбокомпрессоров

Турбокомпрессор состоит из приводимого в движение выхлопными газами колеса турбины с валом и распложенного на противоположном конце вала колеса компрессора, вместе - ротор. Максимальная частота вращения ротора турбокомпрессора С-14 колеблется в диапазоне 60…140 тыс. оборотов в минуту. При этом чем меньше турбокомпрессор, тем выше его рабочие и максимальные частоты вращения. Ротор расположен в корпусе (средней части), к которому присоединены горячая и холодная улитки.

Ротор установлен в подшипниках скольжения. В осевом направлении ротор удерживается гидродинамическим подпятником. В канавку упорной стальной втулки, расположенной на валу, входит бронзовая или чугунная фигурная пластина, имеющая отверстия для подачи масла. На подшипники и гидродинамический подпятник масло подается под давлением от маслосистемы двигателя. Корпус имеет каналы подвода и слива масла, а на некоторых типах турбокомпрессоров имеются каналы для жидкостного охлаждения.

На корпусе крепятся холодная и горячая улитки, формируя газовоздушный тракт турбокомпрессора.

Для исключения попадания масла из масляной полости в газовоздушный тракт устанавливаются уплотнения. Со стороны турбины обычно применяется уплотнение с пружинным разжимным кольцом. Кольцо из специального чугуна или стали, устанавливается неподвижно в корпусе и работает по канавке вала с очень малым торцевым зазором. Со стороны компрессора в основном применяется аналогичная конструкция, на некоторых типах турбин используется торцевое графитовое или карбоновое уплотнение [11].

В связи с тем, что турбокомпрессоры работают в тяжелых условиях - большой перепад температур на турбине и компрессоре, высокая скорость скольжения деталей, вибрация и др. факторы влияющие на работоспособность, приводят к быстрому выходу из строя турбокомпрессора. А это в свою очередь резко увеличивает расход масла, закоксовываются поршневые кольца, падает мощность двигателя, значительно увеличивается дымность выхлопа, что сильно загрязняет окружающую среду.

Таким образом, нарушение работоспособности компрессора ведет не только к экономическим потерям, но также оказывает отрицательное влияние на экологическую обстановку окружающей среды.

Для смазки трущихся поверхностей, отвода тепла и смыва продуктов износа к трущимся поверхностям подается под давлением масло. В зависимости от величины зазоров в сопряжении в полости смазки создается определенное давление, которое должно быть не менее 0,2 МПа.

На работоспособность турбокомпрессора в большой степени оказывает влияние состояния уплотняющих элементов, состояние сопряжения вал-подшипник скольжения, величина дисбаланса.

Анализ изношенных деталей кольца и малозапорной шайбы, снятых во время ремонта, показывает, что основной причиной выхода из строя пары является гидроабразивный износ.

Многие ремонтные предприятия, которые занимаются ремонтом турбокомпрессоров, обычно все причины отказа турбокомпрессоров связывают с неисправностью уплотнительных колец и посадочных поверхностей под уплотнительные кольца [12].

Исследования, проведенные в лаборатории ремонта турбокомпрессоров ЛНАУ, подтверждают, что уплотнение является важным звеном в турбокомпрессоре и от его параметров в большой степени зависит ресурс турбокомпрессора. Но отказ уплотнения часто является следствием других неисправностей, которые на первый взгляд не кажутся существенными и внешне их трудно обнаружить.

Анализ отказов турбокомпрессоров, проводимый в лаборатории в течение нескольких лет позволяет определить основные факторы, которые снижают надежность турбокомпрессоров.

К технологическим факторам можно отнести нарушение точности взаимного расположения поверхностей деталей, которое выражается в несоосности отверстия под подшипник и отверстие под уплотнительные кольца, а также неперпендикулярность поверхности под подшипник к посадочной поверхности под крышку уплотнителя, что ведет к смещению вала относительно оси отверстий к перекосу уплотнительных колец.

Эксплуатационные факторы, влияющие на срок службы ТКР. Анализ неисправностей турбокомпрессоров, поступивших в ремонт показывает, что основная часть, около 80% отказывают являются результатом износа подшипников скольжения, валов, уплотнений. Примерно 5% отказов, являются следствием попадания посторонних предметов на лопатки компрессорного и турбинного колес. Около 5% отказов вызвано неисправностью системы смазки или другими причинами.

К посторонним предметам, попадающим на колесо компрессора, относятся: элементы воздушного фильтра, кусочки резины или проволоки, болты, гайки, шайбы, попавшие во впускной патрубок при замене турбокомпрессора. Все эти предметы, даже при незначительном своем размере, приводят к серьезному повреждению колеса турбины.

Неисправностей системы смазки, вызывающих повреждения ТКР, может быть несколько. Наиболее часто встречаются отложения загрязнений в трубопроводах, по которым подается, и отводится масел в ТКР. Для нормальной работы ТКР очень важно, чтобы при тяжелых условиях работы подавалось определенное количество масла производителем в подшипники, масло должно быть чистым и соответствующей марки.

Повреждения ТКР могут быть вызваны также повышенной температурой отработавших газов, например, при неправильной регулировке топливной аппаратуры.

При несвоевременной замене воздушного фильтра возможно отложение загрязнений в корпусе компрессорного колеса, что приведет к уменьшению воздуха в цилиндре и к перегреву, кроме того, создается вакуум во всасывающем трубопроводе и подсос масла через уплотнения.

Поломку ТКР можно исключить, если не допускать попадания посторонних предметов на лопатки турбинного и компрессорного колес, не превышать допустимые температуры работы ТКР и если обеспечить подачу качественного масла в необходимом количестве.

Одним из наиболее применяемых уплотняющих устройств является торцовое уплотнение с металлическим уплотнительным элементом. Торцевое уплотнение состоит в основном из трех элементов: двух колец (вращающегося и неподвижного), образующих плоскую пару трения, и упругого элемента, обеспечивающего контакт в паре трения.

Вращающееся кольцо герметично связано с валом посредством упругого элемента, который обеспечивает постоянный плотный контакт колец при вибрации и смещениях вала, а также износе элементов пары трения. Зазор в паре трения определяет утечки жидкости или газа, находящихся в рабочем пространстве машины, аппарата или механизма под давлением.

Важными факторами, определяющими конструктивные особенности уплотнения, являются: диаметр и частота вращения вала, его биение и возможные смещения, допустимые габариты уплотнения, условия его сборки и разборки при необходимости замены. Выбор конструкции торцевого уплотнения в значительной степени определяется физико-химическими свойствами среды, для которой предназначено уплотнение: ее агрегатным состоянием (газ, жидкость), давлением, температурой, вязкостью, содержанием взвешенных твердых частиц и солей, химической агрессивностью, воспламеняемостью (при нагреве, в контакте с атмосферой), степенью опасности воздействия на людей и окружающую среду. Торцевые уплотнения можно разделить на две группы: І - с пружинами; ІІ - динамического типа, работающие на принципе разности давлений.

По условиям работы можно выделить четыре группы торцовых уплотнений:

- уплотнения для химически неагрессивных и слабоагрессивных сред (масел, нефтепродуктов, воды и т.д.);

- уплотнения для химически агрессивных сред (кислот, щелочей, газов и т.д.);

- уплотнения для сред с большим содержанием твердых частиц и включений;

- специальные уплотнения.

Специальные уплотнения, в отличие от первых трех групп выпускают малыми партиями и даже единично для специфических, часто особо трудных условий работы: высокое давление, высокие или очень низкие (криогенные) температуры, высокая частота вращения вала, большой диаметр вала. К специальным конструкциям относят разъемные торцевые уплотнения, которые можно заменить без разборки машины, а также уплотнения, отличающиеся высокой надежностью конструкции, устанавливаемые, например, в недоступных для обслуживания местах.

В торцевых уплотнениях применяют пары трения трех видов:

- обыкновенные (контакт двух колец с плоскими кольцевыми поверхностями);

- гидродинамические (контакт кольца с поверхностью, на которой выполнены наклонные, ступенчатые или другие площадки, создающие гидродинамическую силу);

- гидростатические (контакт кольца с плоской поверхностью и кольца с камерами и канавками, в которые подается жидкость под давлением).

Зазоры в работающих торцевых уплотнениях различны (для обыкновенных пар трения 0,5…2 мкм; для гидродинамических - более 2 мкм; для гидростатических - более 5 мкм), поэтому механизмы герметизации этих пар трения также различны. В зазорах обыкновенных пар трения происходит контакт микронеровностей трущихся поверхностей и, как следствие этого - их изнашивание. В гидродинамических парах трения трущиеся поверхности разделены слоем жидкости, контакты микронеровностей сравнительно малочисленны и носят случайный характер. В гидростатических парах трения, контакты микронеровностей отсутствуют, и наблюдается чисто гидродинамический режим смазки.

Оптимальная высота кольца должна быть 1,8…2,2 мм. При уменьшении высоты кольца, увеличивается его коробление, увеличивается удельное давление кольца по наружному диаметру, снижается также прочность, в то время как увеличение высоты кольца ведет к увеличению его жесткости, а следовательно, к плохой прирабатываемости (увеличивается сопротивление перемещению кольца в корпусе).

Сила, прижимающая одну поверхность к другой, воспринимается выступами шероховатости и давлением жидкости, заполняющей зазор при трении. С увеличением силы прижатия площадь контактов шероховатостей увеличивается, а средний зазор в паре трения уменьшается. При этом герметичность пары трения возрастает. Повышение контактного давления сопровождается повышением температуры в уплотнительном зазоре, влияющей на режим износа. Еще большее влияние на герметичность уплотнения оказывает макрогеометрия кольца [13].

1.3 Пути повышения износостойкости деталей торцевого

Известно, что работоспособность техники во многом зависит от качества ремонта и технического обслуживания, уровень которых, в свою очередь, обусловлен надежностью и ресурсом запасных частей, в том числе восстановленных [14…21].

Исследование ремонтного фонда показывает, что в среднем только до 20% деталей турбокомпрессоров подлежат выбраковке, 25…40% являются вполне годными для дальнейшей эксплуатации, а остальные можно восстановить. Следовательно, значительная часть деталей может быть восстановлена и тем самым обеспечена работоспособность турбокомпрессора.

Ресурс большинства турбокомпрессоров обычно зависит от небольшого числа деталей. Это позволяет определить номенклатуру и планировать конкретные объемы восстановления деталей.

В большинстве случаев отказ турбокомпрессора происходит из-за выхода со строя торцевого уплотнения. Материал, из которого изготовлена маслозапорная шайба сталь - 45Х, допускается сталь 40Х, а уплотнительное кольцо изготовлено с специального чугуна твердостью HRC 94…104 [22, 23].

В процессе эксплуатации уплотнения из-за гидроабразивного изнашивания, происходит механическое разрушение поверхностей трущихся деталей. Это приводит к изменению геометрических размеров и снижению работоспособности узла в целом. Профиллографированием поверхностей установлено, что износ кольца может достигать 8…10 мкм. Исследование закономерности износа поверхностей уплотнительного кольца турбокомпрессора показало, что торцовые поверхности одного кольца изнашиваются неравномерно. Основной износ приходится на торцовую поверхность кольца, расположенную со стороны компрессора (в дальнейшем будем ее считать активной, а менее изношенная торцовая поверхность кольца со стороны турбины (будем ее считать пассивной)). В результате такого износа приходится производить замену узла в целом.

Учитывая значительную стоимость деталей и их низкое качество изготовления, целесообразно производить изготовление и восстановление деталей, пригодных для работы в данных условиях.

Износ контактных поверхностей пары трения, происходящих за счет механического трения, усугубляется тем, что смазка (масло) происходит по центральному отверстию, имеет мельчайшие твердые частицы. При вращении, под действием центробежной силы, эти частицы забрасываются на контактирующие поверхности и таким образом вызывают гидрообразивный износ дополнительно.

Разрушение из-за попадания на поверхности деталей мельчайших абразива частиц происходит в результате срезания, выкрашивания, выбивания и многократного пластического деформирования микрообъемов поверхностей. Интенсивность изнашивания определяется скоростью, свойствами и формой абразивных частиц, температурой и степенью запыленности жидкого потока, а также физико-механическими свойствами изнашиваемого материала [14…21].

Одной из причин износа является работа в условиях высоких температур. Поэтому условие теплоотвода из зоны трения имеет существенное значение и в основном зависит от теплопроводности материала и смазки. Чем ниже теплопроводность материала, тем выше температура в контакте пары трения, а также попадания выхлопных газов. Отсюда и режим трения ближе к сухому, так как жидкость в зазоре пары может переходить в газообразное состояние. Кроме того, при значительном повышении температуры в контакте трения возможно появление терморастрескивания. Износ материалов пар трения еще не достаточно изучен. Это явление в настоящее время объясняется усталостью материалов и сводится к следующим основным положениям [18…20].

Контакт твердых тел вследствие неоднородности их физико-химических свойств, шероховатостей, а также попадания мельчайших твердых частиц, дискретен и происходит на весьма малых площадях, образующих в совокупности площадь физического контакта.

В зависимости от условий нагружения, физической природы материалов пары трения и характера микрорельефа сопряженных поверхностей могут наблюдаться различные механические состояния материалов, находящихся в зоне контакта: механическое и молекулярное взаимодействие. Механическое взаимодействие - упругий контакт, пластический контакт и микрорезание. Молекулярное взаимодействие - адгезионное схватывание поверхностных пленок.

При скольжении происходит непрерывная миграция зоны фактического контакта по поверхности каждого из тел. При этом микрообъем материалов, примыкающих к площадям фактического контакта, подвергается многократным силовым воздействиям, в результате чего происходит накопление дефектов, приводящих к образованию микротрещин. А это в свою очередь заканчивается отделением частиц износа. Этот процесс именуют фракционной усталостью. Следует добавить, что в поверхностном слое в период предразрушения могут идти самые различные химические, физико-химические и другие процессы.

В диапазоне скоростей скольжения и удельных давлений, в которых работают кольцо и шайба, действуют два фактора, влияющих на износ: механический и термический, которые действуют одновременно [17…21]. С увеличением контактного давления износ возрастает вследствие активного вытеснения пленки смазки и увеличения площади фактического контакта. Аналогичное увеличение износа происходит и тогда, когда часть тонкой пленки жидкости может быть ускорена из-за больших удельных давлений, скоростей скольжения коэффициента трения и плохого отвода тепла. И, как результат, рост температуры среды, повышение химической активности трущихся поверхностей, возникновение термогальванической коррозии металла, коксование или смолообразование некоторых масел, приводящие к увеличению износа. В реальных условиях эксплуатационный износ трудящихся поверхностей пропорционален скорости скольжения и удельному давлению. Поскольку уплотнение работает в тяжелых условиях, при большом числе одновременно действующих факторов, к выбору материалов предъявляют высокие требования с тем, чтобы они отвечали условиям быстрой прирабатываемости, высоким антифрикационным свойствам и теплопроводностью. Поэтому износостойкость пары трения является одним из важнейших эксплуатационных характеристик и является одним из требований к материалам, используемых для изготовления и восстановления деталей. Выбранный материал должен обладать достаточной механической прочностью, технологичностью, а пара трения должна обеспечивать минимальный коэффициент трения, исключать возможность схватывания и заедания. Конструкция и технология изготовления должны обеспечивать гарантированный зазор между торцами кольца и канавки. Для повышения износостойкости колец производитель покрывает торцы колец твердым хромом либо кольца лудят оловом [17]. Основным материалом для изготовления колец уплотнений является специальный чугун. Поэтому, применяя различные режимы термообработки, производители изменяют механические свойства и износостойкость колец [17, 23…25].

1.4 Термообработка чугунов как способ повышения

Чугун - сплав железа с углеродом (содержанием обычно более 2,14 %), характеризующийся эвтектическим превращением. Углерод в чугуне может содержаться в виде цементита и графита. В зависимости от формы графита и количества цементита, выделяют: белый, серый, ковкий и высокопрочные чугуны. Чугуны содержат постоянные примеси (Si, Mn, S, P), а в некоторых случаях также легирующие элементы (Cr, Ni, V, Al и др.). Как правило, чугун хрупок [26, 27].

Различают несколько видов чугуна:

- белый чугун, в котором весь углерод (2,0...3,8%) находится в связанном состоянии в виде цементита, что и определяет его свойства: высокая твердость(НВ 450…550) и хрупкость, хорошая сопротивляемость износу, плохая обрабатываемость режущими инструментами. Белый чугун применяют для получения серого и ковкого чугуна и стали. Для изготовления деталей машин белый чугун не используется, серый чугун (Сч)(таблица 1.1) содержит углерод в связанном состоянии только частично (не более 0,5%). Остальной углерод находится в чугуне в свободном состоянии в виде графита.

Таблица 1.1 - Механические свойства серых чугунов

Графитовые включения делают цвет излома серым. Чем излом темнее, тем чугун мягче. Образование графита происходит в результате термической обработки белого чугуна, когда часть цементита распадается на мягкое пластичное железо и графит. В зависимости от преобладающей структуры различают серый чугун на перлитной, ферритной или феррито-перлитной основе.

Свойства серого чугуна зависят от режима охлаждения и наличия некоторых примесей. Например, чем больше кремния, тем больше выделяется графита, а потому чугун делается мягче. Серый чугун имеет умеренную твердость и легко обрабатывается режущими инструментами.

Сч - 10; Сч - 15 - используется для слабо- и средненагревающихся деталей (крышки, фланцы, маховики, суппорты, тормозные барабаны, диски сцепления).

Сч - 20; Сч - 25 - применяется для деталей, работающих при повышенных статистических и динамических нагрузках (картеры двигателя, поршни цилиндров, барабаны сцепления, станины станков и т. д.).

Сч - 40; Сч - 45 - перлитный чугун. Обладает более высокими механическими свойствами (корпуса насосов, компрессоров, гидроприводов);

- ковкий чугун (Кч) получают после длительного отжига белого чугуна при высоких температурах, когда цементит почти полностью распадается с выделением свободного углерода на ферритной или перлитной основе. Углеродные включения имеют округлую, хлопьевидную форму. В отличие от серых, ковкие чугуны являются более прочными и пластичными и легче обрабатываются. Этот чугун применяют для изготовления деталей высокой прочности, которые подвержены сильному истиранию и ударным, законопеременным нагрузкам;

- высокопрочные (модифицированные) чугуны (Вч) (таблица 1.2) значительно превосходят обычные серые по прочности и обладают некоторыми пластическими свойствами. Их применяют для отливок ответственных деталей, для изготовления оборудования прокатных станков, кузнечно-прессового оборудования, корпусов паровых турбин, коленчатых валов и др. сталь чугун маслоотражатель турбокомпрессор

Феррит (лат. ferrum - железо), фазовая составляющая сплавов железа, представляющая собой твёрдый раствор углерода и легирующих элементов в б-железе (б-феррит). Имеет объемноцентированную кубическую кристаллическую решётку. Является фазовой составляющей других структур, например, перлита, состоящего из феррита и цементита.

Таблица 1.2 - Механические свойства ковких чугунов

1) у_В, МПа - предел прочности;

2) д, % - относительное удлинение [28…30].

Перлит (от фр. perle - жемчужина) - одна из структурных составляющих железоуглеродистых сплавов - сталей и чугунов: представляет собой эвтектоидную смесь двух фаз - феррита и цементита (в легированных сталях - карбидов). Перлит - продукт эвтектоидного распада аустенита при сравнительно медленном охлаждении железоуглеродистых сплавов ниже 727°C. При этом г-железо переходит в б-железо, растворимость углерода в котором составляет от 0,006 до 0,025%; избыточный углерод выделяется в форме цементита или карбидов. В зависимости от формы различают перлит пластинчатый (основной вид перлита; обе фазы имеют форму пластинок) и зернистый (округлые зёрнышки, или глобули, цементита располагаются на фоне зёрен феррита). С увеличением переохлаждения растёт число колоний перлита, то есть участков с однообразной ориентацией пластинок феррита и цементита (карбидов), а сами пластинки становятся более тонкими. Механические свойства перлита зависят в первую очередь от межпластиночного расстояния (суммарная толщина пластинок обеих фаз): чем оно меньше, тем выше значение предела прочности и предела текучести и ниже критическая температура хладноломкости. При перлитной структуре облегчается механическая обработка стали. Дисперсные разновидности перлита иногда называют сорбитом и трооститом.

Цементит - карбид железа, химическое соединение с формулой Fe3C. Концентрация углерода 6,67% по массе - предельная для железоуглеродистых сплавов. Цементит - метастабильная фаза; образование стабильной фазы - графита во многих случаях затруднено. Цементит имеет орторомбическую кристаллическую решётку, очень тверд и хрупок, слабо магнитен до 210°С.

В зависимости от условий кристаллизации и последующей обработки цементит может иметь различную форму - равноосных зёрен, сетки по границам зёрен, пластин, а также видманштеттову структуру.

Цементит в разных количествах, в зависимости от концентрации, присутствует в железоуглеродистых сплавах уже при малых содержаниях углерода. Формируется в процессе кристаллизации из расплава чугуна. В сталях выделяется при охлаждении аустенита или при нагреве мартенсита. Цементит является фазовой и структурной составляющей железоуглеродистых сплавов, составной частью ледебурита, перлита, сорбита и троостита. Цементит - представитель так называемых фаз внедрения, соединений переходных металлов с легкими металлоидами. В фазах внедрения велики доля как ковалентной, так и металлической связи [28…30].

Термической (тепловой) обработкой называется совокупность операций нагрева, выдержки и охлаждения металлов и сплавов с целью изменения их структуры. При этом достигается существенное изменение свойств при неизменном химическом составе.

Термическая обработка может быть разупрочняющей или упрочняющей.

Разупрочняющая - для придания заготовке необходимых технологических свойств (например, обрабатываемость резанием выше, если прочность и твердость металла низкие).

Упрочняющая - для получения необходимых эксплуатационных свойств. Условия, при которых осуществляется термическая обработка, называются режимом. К параметрам режима относятся: температура и время нагрева, скорости нагрева и охлаждения, время выдержки после нагрева.

Нагрев должен вестись так, чтобы, с одной стороны, обеспечить равномерный прогрев детали, необходимые превращения структуры, гарантировать от получения трещин, коробления и, с другой стороны, обеспечить наибольшую производительность нагревательных устройств (печей). Нагрев может быть прямым, ступенчатым, постепенным. Вид нагрева выбирают в зависимости от массы детали, марки сплава, вида термической обработки. Время нагрева также зависит от нескольких факторов: от способа нагрева (пламенная или электрическая печь, токи высокой частоты и т.д.), от массы нагреваемого металла и его физических свойств (теплопроводности, теплоемкости и температуропроводности).

Допустимая скорость нагрева зависит от химического состава сплава, его структуры, конфигурации деталей и от интервала температур, в котором ведется нагрев. Для большинства корпусных деталей скорость нагрева принимается в пределах 100…110°С/ч.

Выдержка после нагрева до заданной температуры должна обеспечить сквозной прогрев деталей, завершение структурных и фазовых превращений. Продолжительность выдержки должна быть минимально необходимой (при излишней выдержке начинается рост зерна, сталь обезуглероживается, на поверхности появляется окалина). Чем выше температура нагрева, тем меньше должно быть время выдержки.

Скорость охлаждения регулируется средой, в которой происходит охлаждение. Так, при охлаждении деталей вместе с печью, скорость охлаждения составляет 20…30^оС/ч. Скорость охлаждения в воде свыше 300 С/с. При охлаждении на воздухе скорость охлаждения несколько выше, чем при охлаждении с печью.

Благодаря таким процессам добиваются повышения прочности, твердости, износостойкости и обрабатываемости сплава.

Низкотемпературный отжиг выполняют при температуре 500…550°C с выдержкой от 2 до 8ч. Охлаждение производится со скоростью 20…30°C в час до температуры 150…200 C, затем на воздухе. Применяется для снятия внутренних напряжений, заменяет естественное старение.

Высокотемпературный отжиг проводят при температуре 950…1000°C с выдержкой в течение 4-х часов и охлаждением в печи. Применяется для повышения обрабатываемости чугуна, понижения его твердости, а при длительной выдержке - для получения ковкого чугуна.

Нормализация (нагрев до температуры 820…900°C с последующим охлаждением на воздухе) применяется для повышения износостойкости и прочности чугуна.

Закалка чугуна может быть обычной, изотермической с нагревом в печах или токами высокой частоты. Нагревают до 830..900°C. При изотермической закалке охлаждение производится в ванне с расплавленной солью, нагретой до 200…400°C. При закалке в масле изделия нагревают до 830…870°C, при закалке в воде - до 800…820°C.

Закалка применяется для повышения твердости, износостойкости, предела прочности и упругости. Закаленный чугун подвергается низкотемпературному (180…250 C) или высокотемпературному (400…600°C) отпуску для снятия внутренних напряжений, повышения пластичности и прочности.

Легированным называют чугун, содержащий специальные добавки, такие как никель, молибден, кремний, хром и ванадий. Легированные чугуны с целью закаливания нагреваются до температуры 850…880 C, а затем охлаждаются в масле. Температура отпуска 200…250°C.

Модифицированный чугун - это чугун, в который в жидком состоянии перед разливкой введены модификаторы: ферросилиций, силикокальций и алюминий, церий, магний. Модификаторы способствуют получению высоких прочностных и других механических свойств чугуна [31].

Отпуск заключается в нагревании до температуры ниже критической, выдержке при этой температуре и последующем охлаждении. Отпуск служит для снятия внутренних напряжений в изделии, которые возникают при закалке, а также для повышения пластических свойств у изделий после закалки [32].

Медленный нагрев применяется для сложных изделий. Температура нагрева колеблется от 150єC до 600єC. Выдержка производится от 1 до 3 часов. Затем идет этап охлаждения. Охлаждение производится на воздухе. Результатом такого отпуска является снятие термических напряжений и получение требуемой твердости. Данная технология приведена для изделий из серого чугуна.

Отпуск ковкого чугуна колеблется в диапазоне 200…600єC. Выдержка остается также 1…3 часа. А вот охлаждать ковкий чугун допускается как на воздухе, так и с печью. Подробные режимы отпуска изделий из ковкого чугуна приведены в таблице (таблица 1.3).

Режимы, указанные в таблице действуют на отпуск, выполняемый немедленно после закалки.

Таблица 1.3 - Режимы отпуска изделий из ковкого чугуна

1.5 Термическая обработка сталей как способ повышения

Сталь - это сплав железа с углеродом, содержащий до 1,8% углерода. Стали относятся к пластичным металлам, которым деформированием можно придать необходимую форму. По химическому составу они делятся на углеродистые и легированные; по назначению - на конструкционные, инструментальные, особого назначения (нержавеющие, жаропрочные и др.).

Углеродистые конструкционные стали подразделяются на обыкновенного качества, качественные и автоматные. Стали обыкновенного качества обозначаются буквами Ст и цифрами от 0 до 7. Качественные имеют меньше посторонних примесей. Они маркируются цифрами 08, 10, 15, 20 и так далее до 60, указывающие содержание углерода в сотых долях процента. Выпускаются две группы таких сталей: I - с нормальным и II - с повышенным содержанием марганца. Последние в конце маркировки имеют букву Г - марганец. Качественные стали группы II обладают повышенной прочностью и упругостью.

Легированные конструкционные стали, кроме обычного состава, содержат хром, ванадий, вольфрам, никель, алюминий и др. Эти элементы придают стали определенные свойства: прочность, твердость, прокаливаемость, износостойкость и т.д.

Марки легированных сталей обозначают буквами и цифрами. Первые две цифры указывает среднее содержание углерода в сотых долях процента; затем следуют цифры, обозначающие легирующий элемент; цифры после букв - примерное содержание легирующего элемента в процентах. Если содержание элемента близко к 1%, цифра после буквы не ставится.

В маркировке приняты следующие буквенные обозначения элементов: Г - марганец, С - кремний, Х - хром, Н - никель, М - молибден, В - вольфрам, Ф - ванадий, К - кобальт, Ю - алюминий, Т - титан, Д - медь. Буква А в конце марки означает, что сталь высококачественная.

Инструментальные стали делятся на углеродистые, легированные и быстрорежущие.

Углеродистые инструментальные стали содержат углерода от 0,65 до 1,35%, обладают высокой прочностью, твердостью в закаленном состоянии 63…65 HRC и теплостойкостью до 200…250^оС. Они делятся на качественные и высококачественные. Последние содержат меньше серы, фосфора и остаточных примесей. Марки этих сталей обозначают буквой У - углеродистая, а цифры после нее указывают среднее содержание углерода в десятых долях процента. У высококачественных сталей в конце маркировки указывается буква А. Углерод существенно влияет на свойства стали. С повышением его содержания твердость, износостойкость и хрупкость стали увеличиваются, но вместе с тем ухудшается его обработка резанием.

Легированную инструментальную сталь получают введением в высокоуглеродистую сталь хрома, вольфрама, ванадия и других элементов, которые повышают ее режущие свойства. Благодаря легирующим элементам эта сталь приобретает повышенную вязкость и износостойкость в закаленном состоянии, меньшую склонность к деформациям и трещинам при закалке, более высокую теплостойкость (до 300…350єС) и твердость в состоянии поставки. Легированные инструментальные стали маркируются аналогично конструкционным с той лишь разницей, что первая цифра в начале марки означает содержание углерода в десятых долях процента.

Быстрорежущие стали представляют собой легированные инструментальные стали, с высоким содержанием вольфрама (до 18%). После термообработки (закалки и многократного отпуска) они приобретают высокую красностойкость до 600єС, твердость 63…66 HRC и износостойкость.

Быстрорежущие стали маркируются буквами и цифрами. Первая буква Р означает, что сталь быстрорежущая. Цифры после нее указывают среднее содержание вольфрама в процентах. Остальные буквы и цифры означают то же, что и в марках легированных сталей.

Быстрорежущие стали, легированные ванадием и кобальтом, имеют повышенные режущие свойства. Они предусмотрены для труднообрабатываемых сталей и сплавов высокой прочности и вязкости [34].

Одним из составных элементов комплекса работ с металлами и сплавами является их термическая обработка. Она позволяет добиться необходимого набора таких свойств материала, как прочность, твердость, стойкость, износоустойчивость, хрупкость, мягкость, вязкость. Как известно, каленый металл невозможно обрабатывать резцом. С одной стороны, этот материал является настолько твердым, что просто не поддается ни токарной не фрезерной металлообработке. С другой стороны, из-за высокой хрупкости заготовка может просто разрушиться.

Термообработка сталей меняет их структуру на молекулярном уровне. При необходимости материал можно сделать более мягким и вязким, а после проведения требуемых механических операций снова повысить прочностные характеристики изделия. Занимаясь изготовлением различных деталей, выполняя токарные и фрезерные работы, наше предприятие предоставляет также такую услугу как термическая обработка металла.

В зависимости от температуры и скорости нагревания и охлаждения термообработка по-разному действует на вещество. Основными видами такого температурного воздействия на металл являются - закалка, отпуск и отжиг.

При закалке деталь медленно нагревается и затем быстро охлаждается. Такая термическая обработка сталей придает им твердость, износоустойчивость и применяется на завершающих стадиях изготовления изделий. Существует также технология так называемого цементирования, когда закалке подвергаются только поверхностные слои изделия. Это сохраняет прочность всего предмета и одновременно делает поверхности очень крепкой и устойчивой.

Внутреннее напряжение в структуре материала, возникающее при закалке или обработке, позволяет снизить или полностью снять такой метод, как отпуск. Термообработка металла по данной технологии предполагает медленное охлаждение после нагрева до температуры, уровень которой подбирается в зависимости от требуемого соотношения твердости и хрупкости. Чем выше температура, тем менее хрупким становится материал, однако это ведет к потере твердости. Закалке и отпуску изделия обычно подвергаются однократно на завершающей стадии изготовления.

Отжиг, напротив, используется на первых этапах, до стадий механической обработки, чтобы увеличить мягкость и вязкость материала. Данная термическая обработка сталей подразумевает тщательный и длительный прогрев по всему объему и последующее медленное охлаждение. При этом в металле происходят процессы, обратные тем, что возникали при закалке. Поэтому отжиг применяется еще и после неудачной закалки, чтобы впоследствии повторно перекалить изделие.

Термическая обработка металла - очень важная операция, требующая специальных знаний и навыков, энергоемкого оборудования, целого ряда устройств, инструментов и большого количества дополнительных веществ - воды, масла. Но именно она обеспечивает достижение необходимых эксплуатационных свойств изготавливаемых изделий [35].

Закалка. Чтобы повысить твердость стали, производят ее закалку. Закалка заключается в нагревании изделий из доэвтектоидных сталей до температур выше линии GS на 30…50°С, а из заэвтектоидных сталей до температур выше линии РК на 30…50°С, в выдержке при этих температурах с последующим очень быстрым охлаждением.

При закалке твердость стали повышается следующим образом. Сталь нагревается до аустенитного состояния. В аустените - твердом растворе углерода в Y-железе углерода растворяется больше, чем в феррите - твердом растворе углерода в железе. Происходит перекристаллизация б-железа в железо. Во вновь образовавшемся б-железе количество растворенного углерода будет такое же, как в г-железе. Поэтому после закалки стали получается структура пересыщенного углеродом б-железа, в результате чего повышается твердость металла. Такая структура называется мартенситом. Твердость мартенсита НВ 700.

Необходимая скорость охлаждения при закалке обеспечивается охлаждающей средой. Например, все углеродистые стали для получения мартенситной структуры охлаждают в воде. Легированные стали требуют меньшей скорости охлаждения, поэтому их охлаждают в масле или других средах в зависимости от количества легирующих элементов.

Отпуск. Отпуск заключается в нагревании закаленной стали до температуры ниже критической, выдержке при этой температуре и последующем охлаждении. Отпуск служит для снятия внутренних напряжений в изделии, которые возникают при закалке, а также для повышения пластических свойств у изделий после закалки.

Мартенсит, получаемый после закалки стали, неустойчивая структура. Поэтому при нагревании: закаленного изделия до температур, значительно ниже критических, мартенсит разрушается, образуя механическую смесь феррита и цементита.

Различают три вида отпуска: низкий, средний и высокий. Отпуск при температуре 200…250°С называется низким. Этому виду отпуска подвергают режущий инструмент для уменьшения хрупкости и снятия напряжений, при этом сохраняется высокая твердость. После низкого отпуска получается структура, называемая мартенситом отпуска.

Отпуск при температуре 400…450°С называют средним. При этих температурах мартенсит распадается на ферритоцементитную смесь более мелкодисперсную, чем перлит. Такая структура называется трооститом отпуска. После среднего отпуска твердость понижается (НВ 380…420), а прочность и вязкость будут очень высокими.

Отпуск при температуре 600…650°С называют высоким. При этих температурах мартенсит распадается также на ферритоцементитную смесь более крупного, грубого строения, чем троостит отпуска. Структуру, полученную после высокого отпуска, называют сорбитом отпуска. Высокий отпуск обеспечивает высокие пластические свойства, достаточно высокую прочность и небольшую твердость (НВ280…320) [36].

Отпуск стали. Закаленная сталь находится в напряженном состоянии и поэтому она обладает значительной хрупкостью. Для улучшения свойств стали и увеличения долговечности ее службы необходимо снять внутренние напряжения или хотя бы уменьшить их. Для этого инструменты и изделия из стали после закалки почти всегда подвергаются повторному нагреву до температур, лежащих ниже критической температуры А_с1, (723°С), и после некоторой выдержки при температуре нагрева медленно или быстро охлаждаются. Этот вид термической обработки стали называется отпуском. Даже в тех случаях, когда изделие должно иметь максимальную твердость, оно подвергается после закалки отпуску для снятия внутренних напряжений. С помощью отпуска можно достигнуть также распада мартенсита и повышения благодаря этому пластичности и вязкости стали при сохранении достаточно высокой прочности.

Наиболее важной операцией при отпуске является нагрев. Результаты отпуска определяются температурой нагрева изделия и достаточной выдержкой его при этой температуре. Поэтому особенное внимание должно быть уделено правильному выбору температуры нагрева и ее поддержанию во время отпуска. В зависимости от требований, предъявляемых к изделию, температура отпуска колеблется в пределах от 150°С до 680°С. Нагревать изделия до температуры отпуска следует постепенно и равномерно. Изделия обычно загружают в холодные печи (или нагретые до температуры 200°С) и затем медленно нагревают до температуры отпуска со скоростью 50…100°С в час (в зависимости от сечения изделия). Быстрый нагрев может привести к образованию на изделии трещин. Отпуск производится в камерных и пламенных печах, а также в электрических типа ПН-32. Для обеспечения более равномерного нагрева в печах устанавливают вентиляторы с замкнутой циркуляцией воздуха. Они необходимы потому, что при относительно низких температурах (до 500…600°С) теплопередача от спокойного воздуха к металлу происходит весьма медленно и неравномерно. Мелкие изделия (например, инструменты) отпускают в масляных и соляных ваннах, а также на горячих плитах или в песчаных банях. В этих условиях нагрева исключаются случайные колебания температуры, что имеет большое значение при отпуске. Скорость охлаждения при отпуске углеродистой стали не имеет существенного значения, так как при охлаждении отпущенной стали структурные превращения в ней не протекают. Охлаждение, при отпуске чаще всего производят на спокойном воздухе. Некоторые легированные стали охлаждают даже в воде, но это вызывается особыми обстоятельствами, которые будут рассмотрены в дальнейшем (рис. 1.3) [37]