Обоснование выбора технологического процесса изготовления детали "Ролик вала рулевой сошки" из марки стали 12ХНЗА

Размещено на http://www.allbest.ru/

Содержание

Введение

ГЛАВА I. Аналитический обзор источников литературы по теме курсовой работы

1.1 Детали механизма автомобиля (ролик вала рулевой сошки)

1.2 Описание реечной конструкции рулевого управления

1.3 Технологический процесс получения изделий

ГЛАВА II. Обоснование выбора технологического процесса изготовления детали «Ролик вала рулевой сошки» из марки стали 12ХНЗА

2.1 Характеристика марки стали 12ХНЗА

2.2 Последовательность операций обработки ролика вала рулевой сошки

2.2.1 Полный отжиг

2.2.2 Закалка

2.2.3 Отпуск

Заключение

Список используемой литературы

Введение

В программу обучения студентов по специальности «Технология и предпринимательство» входит курс «Основы производства», который содержит такие разделы как «Материаловедение» и «Технология обработки конструкционных материалов». Материал данных разделов включает изучение закономерностей, определяющих строение и свойства материалов в зависимости от их химического состава и методов термической и механической обработки, а так же технологические процессы изготовления и ремонта деталей и конструкций.

Машиностроение в настоящее время весьма многообразна. Машиностроительными заводами выпускаются очень широкая номенклатура изделий - машин, механизмов, приборов, и во всех этих изделиях есть металлические детали, которые обрабатываются термически. Инженеры-конструкторы и инженеры-технологи, связанные с проектированием, изготовлением и ремонтом автомобилей должны иметь необходимые знания о свойствах металлов, методах их улучшения и технологических процессах производства деталей и изготовления конструкций.

Для обеспечения надежной работы всей конструкции необходим правильный выбор материала детали и технология ее изготовления. Для выбора материала детали инженеру приходится решать ряд сложных задач, которыми являются: расчет прочности разрабатываемой конструкции, анализ условий её работы в контакте с другими деталями и внешней средой, а самое главное - технология изготовления.

Кроме этого конструктор должен предусмотреть возможность проведения ремонтов, так как в процессе эксплуатации возможны износы и поломки отдельных деталей.

Проведение механической обработки также требует учета ряда дополнительных факторов. Значительное повышение твердости рабочего слоя детали остается актуальной и в настоящее время. Углубленное изучение процессов технологической обработки деталей, изготавливаемых из металлических сплавов, необходима для будущих учителей технологии, в связи с чем тема курсовой весьма актуальна.

Объектом исследования является технологические процесс изготовления и термической обработки деталей, изготавливаемых из металлических сплавов.

Предметом исследования является обоснование выбора технологии изготовления и термической обработки ролик вала рулевой сошки детали автомобиля из стали марки 12ХН3А

Целью данной курсовой работы является разработка обоснованного выбора технологического процесса изготовления и термической обработки детали автомобиля.

Цель курсовой работы выявила ряд задач. Основные задачи, решаемые при разработке темы:

1)провести аналитический обзор источников литературы по теме курсовой работы;

2)выполнить обоснованный выбор технологии изготовления и термической обработки ролика вала рулевой сошки;

Методы исследования:

1. Анализ научной и научно-технической, учебной и методической литературы по тематике курсовой работы;

2. Анализ с опорой на результаты экспериментальных и теоретических исследований полученных в процессе лабораторных работ;

3. Анализ, обобщение и синтез теоретических материалов изученных в процессе выполнения курсовой работы.

ГЛАВА I. Аналитический обзор источников литературы по теме курсовой работы

1.1 Детали механизма автомобиля (ролик вала рулевой сошки)

В состав рулевого механизма входит рулевое колесо, вал, заключенный в рулевую колонку, и рулевой редуктор, связанный с рулевым приводом. Рулевой механизм позволяет уменьшить усилие, прикладываемое водителем к рулевому колесу для преодоления сопротивления, возникающего при повороте управляемых колес машины вследствие трения между шинами и дорогой, а также деформации грунта при движении по грунтовым дорогам.

Рулевой редуктор представляет собой механическую передачу (например, зубчатую), установленную в корпусе (картере) и имеющую передаточное число 15 -- 30. Рулевой механизм уменьшает усилие, прикладываемое водителем к рулевому колесу, связанному посредством вала с редуктором, во столько раз. Чем больше передаточное отношение рулевого редуктора, тем легче водителю поворачивать управляемые колеса. Однако с увеличением передаточного числа рулевого редуктора для поворота на некоторый угол управляемого колеса, связанного через детали привода с выходным валом редуктора, водителю необходимо повернуть рулевое колесо на больший угол, чем при малом передаточном числе. При движении ТС с высокой скоростью труднее совершать резкий поворот под большим углом, поскольку водитель не успевает поворачивать рулевое колесо.

Передаточное отношение рулевого редуктора:

Up = (ap/ac) = (pc/pp)

где ар и ас -- углы поворота соответственно рулевого колеса и выходного вала редуктора; Рр, Рс -- усилие, приложенное водителем к рулевому колесу, и усилие на выходном звене рулевого механизма (сошке).

Так, для поворота сошки на 25° при передаточном отношении рулевого редуктора, равном 30, рулевое колесо необходимо повернуть на 750°, а при Up = 15 -- на 375°. При усилии на рулевом колесе 200 Н и передаточном отношении Up = 30 водитель на выходном звене редуктора создает усилие 6 кН, а при Up = 15 -- в 2 раза меньше. Целесообразно иметь переменное передаточное отношение рулевого механизма.

При малых углах поворота рулевого колеса (не более 120°) предпочтительно большое передаточное отношение, обеспечивающее легкое и точное управление автомобилем при движении с высокой скоростью. При низких скоростях малое передаточное отношение позволяет при небольших углах поворота рулевого колеса получать значительные углы поворота управляемых колес, что обеспечивает высокую маневренность автомобиля.

Выбирая передаточное отношение рулевого механизма, исходят из того, что управляемые колеса должны поворачиваться из нейтрального положения на максимальный угол (35…45°) не более чем за 2,5 оборота рулевого колеса.

Рулевые механизмы могут быть нескольких типов. Наиболее распространенными из них являются «червяк--трехгребневый ролик», «червяк--шестерня» и «винт--шариковая гайка-рейка--шестерня». Шестерня в рулевом механизме выполнена в виде сектора.

Рулевой механизм преобразует вращательное движение рулевого колеса в угловое перемещение рулевой сошки, установленной на выходном валу рулевого редуктора. Рулевой механизм при движении полностью груженого автомобиля, как правило, должен обеспечивать усилие на ободе рулевого колеса не более 150 Н.

Угол свободного поворота рулевого колеса (люфт) для грузовых автомобилей обычно не должен превышать 25° (что соответствует длине душ 120 мм, измеренной по ободу рулевого колеса) при движении грузового автомобиля по прямой. Для автомобилей других типов люфт рулевого колеса иной. Люфт возникает из-за износа в эксплуатации деталей рулевого управления и разрегулировки рулевого механизма и привода. Для уменьшения потерь на трение и защиты деталей рулевого редуктора от коррозии в его картер, укрепленный на раме машины, заливают специальное трансмиссионное масло.

При эксплуатации ТС необходимо регулировать рулевой механизм. Регулировочные устройства рулевых редукторов предназначены для устранения, во-первых, осевого люфта рулевого вала или ведущего элемента редуктора, а во-вторых -- люфта между ведущим и ведомым элементами.

Рассмотрим конструкцию рулевого механизма типа «глобоидальный червяк-- трехгребневый ролик», приведённого на рис.1.1.

Рис.1.1. Рулевой механизм типа «глобоидальный червяк--трехгребневый ролик»:

1 -- картер рулевого редуктора; 2 -- головка, рала рулевой сошки; 3 -- трехгребневый ролик; 4 -- регулировочные прокладки; 5 -- червяк; 6 -- рулевой вал; 7 -- ось; 8 -- подшипник вала сошки; 9 -- стопорная шайба; 10 -- колпачковая гайка; 11 -- регулировочный винт; 12 -- вал сошки; 13 -- сальник; 14 -- рулевая сошка; 15 -- гайка; 16 -- бронзовая втулка; h -- регулируемая глубина зацепления ролика с червяком

Глобоидальный червяк 5 установлен в картере 1 рулевого редуктора на двух конических роликовых подшипниках, хорошо воспринимающих осевые усилия, возникающие при взаимодействии червяка с трехгребневым роликом 3. Червяк, напрессованный на шлицы, имеющиеся на конце рулевого вала 6, обеспечивает при ограниченной длине хорошее зацепление гребней ролика с нарезкой червяка. Благодаря тому что действие нагрузки рассредоточено по нескольким гребням в результате их контакта с червяком, а также замене трения скольжения в зацеплении значительно меньшим трением качения достигается высокая износостойкость механизма и достаточно большой КПД.

Ось ролика закреплена в головке 2 вала 12 рулевой сошки 14, а сам ролик установлен на игольчатых подшипниках, уменьшающих потери при прокрутке ролика относительно оси 7. Опорами вала рулевой сошки являются, с одной стороны, роликовый подшипник, а с другой -- бронзовая втулка 16. Сошка соединена с валом при помощи мелких шлицов и закреплена шайбой и гайкой 15. Для уплотнения вала сошки применяется сальник 13.

Зацепление червяка с гребнями осуществляется таким образом, что при положении, соответствующем прямолинейному движению машины, свободный ход рулевого колеса практически отсутствует, а по мере увеличения угла поворота рулевого колеса он возрастает.

Регулировка затяжки подшипников рулевого вала осуществляется с помощью изменения числа прокладок устанавливаемых под крышку картера, своей плоскостью упирающуюся в торец крайнего конического роликового подшипника. Регулировку зацепления червяка с роликом осуществляют смещением вала рулевой сошки в осевом направлении с помощью регулировочного винта 11. Этот винт установлен в боковой крышке картера, снаружи закрыт колпачковой гайкой 10 и зафиксирован стопорной шайбой 9.

На автомобилях большой грузоподъемности применяются рулевые механизмы типа «червяк--боковой сектор (шестерня)» или «винт--шариковая гайка--рейка--шестерня», имеющие большую площадь контакта элементов и как следствие малые давления между поверхностями рабочих пар редуктора.

Рулевой механизм типа «червяк--боковой сектор» (рис.1.2), наиболее простой по конструкции, используется на некоторых автомобилях. В зацепление с червяком 2 входит боковой сектор 3 в виде части шестерни со спиральными зубьями. Боковой сектор выполнен как единое целое с валом 1 сошки. Сошка расположена на валу, установленном на игольчатых подшипниках.

Зазор в зацеплении между червяком и сектором непостоянен. Наименьший зазор соответствует среднему положению рулевого колеса. Зазор в зацеплении регулируется изменением толщины шайбы, расположенной между боковой поверхностью сектора и крышкой картера рулевого редуктора.

Рис.1.2. Рулевой механизм типа «червяк--боковой сектор»:

1 -- вал сошки; 2 -- червяк; 3 -- боковой сектор

Конструкция рулевого механизма типа «винт--шариковая гайка--рейка--сектор» показана на рисунке 1.3. Вал рулевого колеса посредством карданной передачи соединен с винтом 4, взаимодействующим с шариковой гайкой 5, неподвижно закрепленной стопорным винтом 15 в поршне-рейке 3. Резьба винта и гайки выполнена в виде полукруглых канавок, заполняемых шариками 7, циркулирующими по резьбе при вращении винта. Крайние нитки гайки соединены желобом 6 с наружной трубкой, обеспечивающей циркуляцию шариков. Трение качения этих шариков по резьбе во время вращения винта незначительно, что обусловливает высокий КПД такого механизма.

Рис.1.3. Рулевой механизм типа «винт--шариковая гайка--рейка--сектор»:

1 -- крышка цилиндра; 2 -- картер; 3 -- поршень-рейка; 4 -- винт; 5 -- шариковая гайка; 6 -- желоб; 7 -- шарики; 8 -- промежуточная крышка; 9 -- золотник; 10 -- корпус клапана управления; 11 -- гайка; 12 -- верхняя крышка; 13 -- пружина плунжера; 14 -- плунжер; 15 -- стопорный винт; 16 -- зубчатый сектор (шестерня); 17 -- вал; 18-- сошка; 19 -- боковая крышка; 20 -- стопорное кольцо; 21 -- регулировочный винт; 22 -- шаровой палец

При повороте автомобиля водитель с помощью рулевого колеса и вала вращает винт, относительно оси которого на циркулирующих шариках перемещается шариковая гайка. Вместе с гайкой перемещается и поршень-рейка, поворачивая зубчатый сектор (шестерню) 16, выполненный как единое целое с валом 17. Сошка 18 установлена на валу с помощью шлицов, а сам вал размещен на бронзовых втулках в картере 2 рулевого редуктора.

1.2 Описание реечной конструкции рулевого управления

Реечная конструкция - самое распространенное устройство рулевого управления. Сила этой конструкции заключается в ее простоте. Этот простой и прогрессивный механизм используется при производстве 90% автомобилей.

В основе устройства рулевой рейки лежит основной элемент - вал-рейка. Вал-рейка оснащена поперечными зубьями. На рулевом валу располагается шестерня, которая зацепляется за зубья рулевого вала и перемещает рейку.

Благодаря использованию этой системы удалось добиться минимизации количества шарнирных соединений и значительного сохранения энергии. Каждому колесу «полагается» по два шарнира и по одной тяге. Для сравнения: в системе «винт-шариковая гайка» колесу соответствует три тяги, в «червячном» механизме - пять тяг. Рулевая рейка обеспечила практически прямую связь между рулем и колесами, а значит, в несколько раз увеличила легкость управления автомобилем. Такое рулевое устройство автомобиля сделало возможным изменять направление движения минимальным количеством оборотов руля.

Еще одно преимущество реечной конструкции - размер и форма картера. При своем небольшом размере и продолговатой форме, картер способен разместиться в автомобиле где угодно. Автопроизводители размещают картер над двигателем, под двигателем, впереди или сзади, исходя из модели автомобиля. Реечный механизм позволил добиться практически мгновенной реакции колес на поворот руля. Эта система позволила создавать скоростные автомобили с современной, усовершенствованной системой управления.

Для облегчения управления используется гидроусилитель. Благодаря усилителю, удается достичь большей точности управления, увеличить скорость передачи движения от руля к колесу. Автомобиль с усилителем управляется проще, легче, быстрее. Усилитель может быть электрическим, пневматическим или гидравлическим. В большинстве современных автомобилей используется гидравлический усилитель, получающий питание от электродвигателя.

Гидроусилитель состоит из поворотного клапана и лопастного насоса. За счет движения лопастного насоса гидравлическая энергия поступает в рулевой механизм. Насос работает за счет электрического двигателя автомобиля. Он перемещает гидравлическую жидкость. Величина давления регулируется при помощи встроенного в насос предохранительного клапана. Нетрудно догадаться, что чем больше скорость движения двигателя, тем большее количество жидкости поступает в насосный механизм.

1.3 Технологический процесс получения изделий

Материалы, применяемые для изготовления корпуса рулевого механизма

Корпус рулевого механизма изготавливается из алюминиевых сплавов, отличаются малой плотностью (до 3,0 г/см3), хорошими технологическими свойствами, высокими коррозионной стойкостью, теплопроводностью.электрической проводимостью, жаропрочностью, прочностью и пластичностью при низких температурах, хорошей светоотражательной способностью. На изделия из сплавов алюминия легко наносятся защитные и декоративные покрытия. Сплавы легко обрабатываются резанием и свариваются контактной сваркой, а некоторые и сваркой плавлением.

Химические свойства алюминия. Внешняя электронная оболочка атома Алюминия состоит из 3 электронов и имеет строение 3s23р1. В обычных условиях алюминий в соединениях 3-валентен, но при высоких температурах может быть одновалентным, образуя так называемых субсоединения. Субгалогениды Алюминия, AlF и АlСl, устойчивые лишь в газообразном состоянии, в вакууме или в инертной атмосфере, при понижении температуры распадаются (диспропорционируют) на чистый Аl и AlF3 или АlСl3 и поэтому могут быть использованы для получения сверхчистого Алюминия. При накаливании мелкоизмельченный или порошкообразный Алюминий энергично сгорает на воздухе. Сжиганием Алюминия в токе кислорода достигается температура выше 3000°С.

Свойством Алюминия активно взаимодействовать с кислородом пользуются для восстановления металлов из их оксидов (Алюминотермия). При темно-красном калении фтор энергично взаимодействует с Алюминием, образуя AlF3. Хлор и жидкий бром реагируют с Алюминием при комнатной температуре, иод - при нагревании. При высокой температуре Алюминий соединяется с азотом, углеродом и серой, образуя соответственно нитрид AlN, карбид Al4C3 и сульфид Al2S3. С водородом алюминий не взаимодействует; гидрид алюминия (AlН3)X получен косвенным путем. Алюминий легко растворяется в щелочах, выделяя водород и образуя алюминаты. Большинство солей алюминия хорошо растворимо в воде. Растворы солей алюминия вследствие гидролиза показывают кислую реакцию.

Материалы для изготовления червяков рулевого управления

Стали с высокими упругими свойствами находят широкое применение в машино- и приборостроении. В машиностроении их используют для изготовления рессор, амортизаторов, силовых пружин различного назначения, в приборостроении - для многочисленных упругих элементов: мембран, пружин, пластин реле, сильфонов, растяжек, подвесок.

Прочностной расчет

В рулевом управлении рассчитывают на прочность:

- детали рулевого механизма;

- детали рулевого привода.

При расчете на прочность определяют нагрузки, действующие на детали рулевого управления, и напряжения, возникающие в деталях.

Нагрузки в деталях рулевого механизма и рулевого привода можно рассчитывать, задавая максимальное усилие на рулевом колесе или определяя это усилие по максимальному сопротивлению повороту управляемых колес автомобиля на месте. Эти нагрузки являются статическими. Однако при движении автомобиля по неровной дороге или при торможении на дороге с разными коэффициентами сцепления управляемых колес детали рулевого управления могут испытывать динамические нагрузки. Поэтому динамические нагрузки необходимо учитывать с помощью коэффициента динамичности кд = 1,5...3,0, который выбирается в зависимости от типа и назначения автомобиля, а также условий его эксплуатации.

Рулевой вал выполняют из стали марок 20, 35, 45.

Допускаемые напряжения кручения рулевого вала [фкр] = 100 МПа.

Рулевая передача

В червячно-роликовой передаче глобоидный червяк и ролик рассчитывают на сжатие, при котором определяют контактные напряжения в зацеплении:

a 0 = 0,5 (dao + da1 - 2h1) + с 0 ,

где d a o - диаметр вершин инструмента, мм;

c 0 - радиальный зазор между поверхностью вершин инструмента и поверхностью впадин червяка, мм.

Рулевой привод

В рулевом приводе рассчитывают вал рулевой сошки на кручение.

Допускаемые напряжения кручения [фкр] = 300...350 МПа.

Вал рулевой сошки изготавливают из стали 30, 18ХГТ, 20ХНЗА.

При изготовлении ролика вала рулевой сошки применяют отжиг, закалку, легкий отпуск

ГЛАВА II. Обоснование выбора технологического процесса изготовления детали «Ролик вала рулевой сошки» из марки стали 12ХНЗА

ролик вал рулевой сошка

2.1 Характеристика марки стали 12ХНЗА

Марка: 12ХН3А (заменители: 12ХН2, 20ХН3А, 25ХГТ, 12Х2Н4А, 20ХНР)

Вид поставки: сортовой прокат, в том числе фасонный: ГОСТ 4543-71, ГОСТ 2590-2006, ГОСТ 2591-2006, ГОСТ 2879-2006, ГОСТ 10702-78. Калиброванный пруток: ГОСТ 7417-75, ГОСТ 8559-75, ГОСТ 8560-78, ГОСТ 1051-73, ГОСТ 10702-78. Шлифованный пруток и серебрянка: ГОСТ 14955-77. Полоса: ГОСТ 103-2006 . Поковки и кованный заготовки: ГОСТ 1133-71. Трубы : ГОСТ 21729-76, ГОСТ 8734-75, ГОСТ 9567-75.

Класс: Сталь конструкционная легированная

Использование в промышленности: шестерни, валы, червяки, кулачковые муфты, поршневые пальцы и другие цементуемые детали, к которым предъявляются требования высокой прочности, пластичности и вязкости сердцевины и высокой поверхностной твердости, работающие под действием ударных нагрузок или при отрицательных температурах до -100 °С.

Удельный вес: 7850 кг/м3

Температура ковки, °С: начала 1220, конца 800. Сечения до 100 мм охлаждаются на воздухе, 101-300 мм в яме.

Термообработка: Закалка и отпуск

Твердость материала: HB 10 -1 = 217 Мпа

Температура критических точек: Ac1 = 715 , Ac3(Acm) = 773 , Ar3(Arcm) = 726 , Ar1 = 659 , Mn = 380

Обрабатываемость резанием: в горячекатанном состоянии при HB 183-187, К х тв. спл=1,26 и Кхб.ст=0,95

Свариваемость материала: ограниченно свариваемая. Способы сварки: РДС, АДС под флюсом.

Флокеночувствительность: чувствительна.

Склонность к отпускной хрупкости: склонна.

Химический состав в % стали 12ХН3А
C	0,09 - 0,16
Si	0,17 - 0,37
Mn	0,3 - 0,6
Ni	2,75 - 3,15
S	до 0,025
P	до 0,025
Cr	0,6 - 0,9
Cu	до 0,3
Fe	~95

Зарубежные аналоги марки стали 12ХН3А
США	3415
Германия	1.5732, 12Ni14, 14NiCr10, 14NiCr14
Япония	SNC815, SNC815H
Франция	10NC11, 14NC11
Англия	655M13
Испания	15NiCr11
Болгария	12ChN3A
Венгрия	BNC2
Польша	12HN3A
Румыния	13CrNi30q
Чехия	16420
Механические свойства заготовки стали 12ХН3А диаметром 70 мм в зависимости от температуры отпуска
Температура отпуска, °С	у0,2 (МПа)	ув(МПа)	д5 (%)	ш %	KCU (Дж / см2)	HB
Закалка 800 °С, масло
200 300 400 500 600	1270 1130 1080 930 670	1370 1270 1200 1030 730	12 13 14 19 24	60 68 68 70 75	98 78 83 118 167	400 380 375 280 230

Механические свойства стали 12ХН3А в зависимости от сечения
Сечение,мм	у0,2 (МПа)	ув(МПа)	д4 (%)	ш %	KCU (Дж / см2)	HRCЭ
Ложная цементация 910 °С, 9 ч. Закалка 810 °С, масло. Отпуск 200 °С, на воздухе
10 15 20 25	1080 780 730 640	1220 980 880 830	13 16 16 20	60 65 70 70	157 152 165 192	35 32 30 28

Механические свойства образцов стали 12ХН3А диаметром 28-50 мм при повышенных температурах
Температура испытаний, °С	у0,2 (МПа)	ув(МПа)	д5 (%)	ш %	KCU (Дж / см2)
Отжиг 880-900 °С. Закалка 860 °С, масло. Отпуск 600 °С, 3 ч
20 200 300 400 500 550	540 520 500 430 390 240	670 630 630 530 410 260	21 20 12 20 19 21	75 74 70 75 86 82	274 216 211 181 142 -

 

Механические свойства прутка стали 12ХН3А
ГОСТ	Состояние поставки, режим термообработки	Сечение,мм	у0,2 (МПа)	ув(МПа)	д5 (%)	ш %	KCU (Дж / см2)	НВ, не более
ГОСТ 4543-71	Закалка 860 °С, вода или масло. Закалка 760-810 °С, вода или масло. Отпуск 180 °С, воздух или масло	15	685	930	11	55	88	-
	Цементация 920-950 °С. Закалка 800-820 °С, масло. Отпуск 160-200 °С, воздух	60	830	980	12	55	118	Поверхности (59-64), сердцевины 303
		100	690	830	10	50	78	Поверхности (57-63), сердцевины 250

 

Ударная вязкость прутков стали 12ХН3А сечением 10 мм KCU, (Дж/см2)
Т= +20 °С	Т= -40 °С	Термообработка
127 42	103 14	Закалка 850 °С, масло. Отпуск 200 °С, 1 ч HRCэ 37 Газвая цементация 910 °С, 3 ч. Закалка 810 °С, масло. Отпуск 200 °С, 1 ч HRCэ 58

 

Механические свойства стали 12ХН3А при повышенных температурах
Температура испытаний, °С	у0,2 (МПа)	ув(МПа)	д5 (%)	ш %	KCU (кДж / м2)
Образец диаметром 10 мм и длиной 50 мм, кованный и отожженный. Скорость деформированя 5 мм/мин. Скорость деформации 0,002 1/с
700 800 900 1000 1100 1200 1250	70 29 27 23 23 12 10	140 89 68 44 43 25 18	41 61 58 63 73 70 67	78 97 100 100 100 100 100	- - - - - - -

Предел выносливости стали 12ХН3А
у-1, МПА	?????????	Термообработка
382 338 382-461 441	- 230 216-255 245	у0,2=680 МПа, ув=960 МПа, НВ 322  у0,2=610 МПа, ув=730 МПа, НВ 238  ув=690 МПа, n=106 ув=910 МПа

Прокаливаемость стали 12ХН3А (ГОСТ 4543-71)
Расстояние от торца, мм	Примечание
1,5	3	4,5	6	7,5	9	12	15	21	27	Закалка 840 °С
38,5-43	37-43	35-42	31,5-41	25-40,5	22-38,5	35	32	28,5	26,5	Твердость для полос прокаливаемости, HRC

Количество мартенсита, %	Критический диаметр в воде	Критический диаметр в масле
50 95	32-65 18-29	20-50 10-17

 

Физические свойства стали 12ХН3А
T (Град)	E 10- 5 (МПа)	? 10 6 (1/Град)	? (Вт/(м·град))	? (кг/м3)	C (Дж/(кг·град))	R 10 9 (Ом·м)
20	2			7850
100		11.8	31	7830
200		13		7800
300		14		7760
400		14.7	26	7720	528
500		15.3		7680	540
600		15.6		7640	565

Расшифровка марки стали 12ХН3А: цифра 12 перед маркой стали говорит о том, что в ней содержится 1,2% углерода, Х - свидетельствует о небольшом содержании хрома менее 1,5%, а Н3 - о том что имеется никель в количестве 3%, буква А на конце обозначение сообщает, что это высококачественная чистая сталь с содержанием вредных серы и фосфора менее 0,025%. Таким образом перед нами легированная высококачественная сталь.Ролик вала рулевой сошки получают резанием. Такой метод позволяет получить высокое качество поверхностного слоя .

Цементация изделий из стали 12ХН3А в кипящем слое: на образцах из сталей 12ХН3А и 18Х2Н4ВА, цементированных по оптимальному режиму, были исследованы режимы дальнейшей термической обработки в целях создания полного цикла обработки в кипящем слое. По существующей технологии детали из этих сталей подвергают после цементации высокому отпуску, закалке и низкому отпуску.

Были изучены: 1) непосредственная закалка с цементационного нагрева в холодный (20° С) кипящий слой; 2) закалка в холодный кипящий слой с предварительным подстуживанием от температуры цементации 950 до 800° С; 3) закалка как отдельная операция после высокого отпуска.

Первые два режима не дали положительных результатов вследствие недопустимо большого количества остаточного аустенита: по первому режиму 70-75 и 16-18%, а по второму 19-25 и 7-9% соответственно для сталей 18Х2Н4ВА и 12ХНЗА. Поэтому более подробно был исследован третий режим.

Отпуск образцов стали 18Х2Н4ВА после цементации при 950° С в кипящем слое (4 ч) и керосином в печи Ц-105 (12 ч) проводили при 650° С в трех различных средах одинаковыми партиями по 30 шт.: в электропечи, в кипящем слое (на полупромышленной установке Турбомоторного завода) и в свинцовой ванне. Исследовали количество остаточного аустенита (на магнитометре Штейнберга), ударную вязкость и твердость в зависимости от времени выдержки. Распределение углерода после цементации в обоих случаях было практически одинаковым. С увеличением времени выдержки количество остаточного аустенита понижается, причем наиболее интенсивно в первые три часа отпуска. Ударная вязкость незначительно повышается, а твердость вначале несколько увеличивается в связи С распадом остаточного аустенита, а затем снижается. При повторном отпуске твердость, так же как и количество остаточного аустенита, снижаются с увеличением времени отпуска.

Наиболее интересные данные получены при изучении влияния среды отпуска на количество остаточного аустенита. После отпуска в кипящем слое количество аустенита такое же, как и после отпуска в свинцовой ванне, и приблизительно вдвое меньше, чем после отпуска в электропечи.



Сталь 18Х2Н4ВА после цементации в кипящем слое и высокого отпуска при 650° С в течение 3 ч в кипящем слое и в электропечи. Охлаждение осуществляли после отпуска на воздухе. Остаточный аустенит при отпуске в кипящем слое претерпевает больший распад, чем при отпуске в электропечи.

Более интенсивный распад остаточного аустенита после отпуска в кипящем слое по сравнению с отпуском в электропечи можно объяснить скоростным нагревом. Как и при нагреве в свинце, напряженное состояние, характеризуемое дефектами кристаллического строения, в процессе нагрева сохраняется до более высоких температур, чем при нагреве в электропечи. Дефекты кристаллической решетки служат зародышевыми центрами для выделения карбидной фазы, которых в случае скоростного нагрева в кипящем слое и в свинце больше, чем при нагреве в электропечи. В процессе отпуска в кипящем слое выделяется больше карбидов, что обедняет остаточный аустенит углеродом. Это вызывает повышение мартенситной точки и более полный распад остаточного аустенита при последующем охлаждении. Кроме того, при скоростном нагреве не успевают завершиться процессы перераспределения легирующих элементов. В частности, никель, не входящий в состав карбидов, сосредоточивается при медленном нагреве в твердом растворе, и, обогащенный никелем остаточный аустенит характеризуется большей устойчивостью, чем при быстром нагреве в кипящем слое.

Сравнительные эксперименты показали, что при охлаждении отпущенных образцов на воздухе количество остаточного аустенита оказывается на 20-30% меньше, чем при охлаждении в масле. Быстрое охлаждение в масле ведет к мартенситному превращению части обедненного остаточного аустенита, которое в свою очередь не идет до конца, в то время как замедленное охлаждение на воздухе стимулирует развитие бейнитного превращения, протекающего полнее, чем мартенситное.

По полученным данным был выбран режим высокого отпуска в кипящем слое при 650° С в течение трех часов с последующим охлаждением на воздухе.

После отпуска детали нагревали до 820° С в электропечи (2 ч) или в кипящем слое (20 мин) и закаливали как в холодный кипящий слой частиц корунда 120 мкм, так и в масло. Предварительно были сняты термограммы охлаждения шестерен двух различных размеров (с толщиной стенки или полуразностью наружного и внутреннего диаметров 18 и 30 мм). В диапазоне температур 820-250° С шестерня охлаждается в масле несколько быстрее, чем в кипящем слое, а при более низких температурах - медленнее. Время охлаждения до 220-250° С в обеих средах одинаково и для меньшей и большей шестерен равно соответственно 1,5 и 2,5 мин. Твердость и структуру после закалки изучали непосредственно на шестернях. Механические свойства сталей 18Х2Н4ВА и 12ХНЗА определяли на образцах длиной 170 мм диаметром соответственно 25 и 21 мм, прошедших весь описанный выше цикл термообработки. При закалке по исследованным четырем вариантам они оказались практически одинаковыми. Количество остаточного аустенита при нагреве в кипящем слое было меньше, чем при нагреве в электропечи, а при одинаковых условиях нагрева закалка в кипящем слое давала меньше остаточного аустенита, чем закалка в масле. Структура после закалки в кипящем слое и масле была практически одинаковой: цементированный слой состоит из мелкоигольчатого мартенсита, карбидов и остаточного аустенита, а сердцевина - из перлита и феррита (сталь 12ХН3А) или бейнита (сталь 18Х2Н4ВА).

В результате был выбран наиболее быстрый вариант закалки, дающий к тому же наименьшее количество остаточного аустенита: нагрев в кипящем слое до 820° Сс выдержкой (общее время 20 мин) и охлаждение в холодном кипящем слое (10 мин).

В заключение проведено сравнение результатов испытаний цементированной стали 12ХН3А на износостойкость, статическую прочность при растяжении и усталость после цементации и последующей термообработки в кипящем слое с результатами термической обработки по существующей технологии.

Процесс термообработки был выполнен в трех вариантах.

I. Существующая технология: цементация (930° С, 10 ч) - - охлаждение на воздухе - высокий отпуск (650° С, 9 ч) - закалка (800° С, 2 ч) низкий отпуск (170° С, 3 ч).

II. В кипящем слое: цементация (950° С, 2,5 ч) - закалка с подстуживанием - низкотемпературный отпуск (170° С, 2 ч).

III. В кипящем слое: цементация (950° С, 2,5 ч) - охлаждение на воздухе - высокий отпуск (650° С, 3 ч) - закалка (820° С, 1/3 ч) - низкий отпуск (170° С, 2 ч).

Износостойкость испытывали на машине МИ-1М (цикл 15 000 оборотов) при трении качения с проскальзыванием без смазки при удельном давлении в месте контакта испытуемой пары 39 кгс/мм2, соответствующем удельному давлению в зубьях шестерен дизеля и скорости вращения эталонов 320 и 400 об/мин. Потеря массы образцов составила 581-647 мг, 466-483 мг и 430-461 мг соответственно при обработке по I, II и III вариантам. Таким образом, наилучшим оказался вариант III.

Статическую прочность стали испытывали на образцах рабочим диаметром 8 мм с глубокими кольцевыми концентраторами напряжений гиперболического профиля. Радиус разреза меняли от 0,18 до 7 мм, что соответствовало широкому диапазону коэффициентов концентрации напряжений ао от 1,0 до 6,04. Видно, что среднее значение ов по вариантам I и III практически одинаково, однако вариант III предпочтительнее, поскольку при такой обработке в отличие от обработки по существующей технологии ув почти не зависит от ао.

Усталостную прочность стали 12ХНЗА испытывали на машине МВП-10 000 при чистом изгибе с вращением, частоте 83 Гц и базе испытаний 5.106 циклов. Испытания выполняли на 75 аналогичных образцах, режимы I и III дают одинаковые и несколько лучшие результаты, чем режим II.

По результатам указанных испытаний для промышленной эксплуатации может быть рекомендован следующий оптимальный режим цементации и последующей термообработки деталей из сталей 18ХНВА и 12ХН3А: цементация при ав = 0,26-0,28 с добавкой 15% природного газа при 950° С, 2,5 (10) ч - охлаждение на воздухе - высокий отпуск, 650° С, 3 (9) ч - охлаждение на воздухе - нагрев под закалку до 820° С в кипящем слое и выдержка 20 мин (2 ч) - охлаждение в кипящем слое - низкий отпуск в кипящем слое 170° С, 2 (3) ч. Применение кипящего слоя позволяет сократить полный цикл обработки втрое, т. е. с 24 до 8 ч, получив такие же прочностные показатели. При этом глубина цементированного слоя составляет 1,1-1,4 мм, а поверхностная концентрация углерода (с учетом его перераспределения при охлаждении и высоком отпуске) 0,9-1,0% С.

По отработанным оптимальным режимам были цементированы шестерни различных диаметров от 50 до 120 мм, валики, тарелки клапанов, распылители, детали сложной конфигурации, имеющие узкие отверстия.

2.2 Последовательность операций обработки ролика вала рулевой сошки

Ролик вала рулевой сошки работает в условиях высоких нагрузок , подвергается интенсивному износу. Термическая обработка ролика преследует следующие цели: повысить прочность, термостойкость и износоустойчивость.

В качестве вида термообработки назначаем полный отжиг, закалку и отпуск. Закалка стали заключается в нагреве: доэвтектоидной стали выше линии Ас3; эвтектоидной и заэвтектоидной - выше Ас. Целью закалки является получение предельной твердости стали.

В зависимости от температуры нагрева различают следующие виды закалки: полная закалка проводится для доэвтектоидных и эвтектоидных сталей путем нагрева стали до температуры, обеспечивающей получение структуры однородного аустенита, выдержке при данной температуре и последующего охлаждения со скоростью больше критической. В результате, структура данных сталей будет состоять из мелкоигольчатого мартенсита и остаточного аустенита. Высокотемпературный отпуск проводят при температуре 500...680°С.

Температура нагрева при закалке выбирается на 50 …70°С выше критической точки Ас3, т.е.

Для получения мартенситной структуры при закалке стали её необходимо охлаждать со скоростью не меньшей, чем критическая скорость закалки (Vохл. ? Vкр.). Значение Vкр. определим, воспользовавшись диаграммой изотермического превращения переохлаждённого аустенита,



В качестве закалочной среды следует применить минеральное машинное масло, в котором скорость охлаждения в интервале температур наименьшей устойчивости переохлаждённого аустенита (650 …550 °С) составляет примерно 150 , что больше Vкр. данной стали. В нижнем, мартенситном интервале температур масло охлаждает с небольшой скоростью (20… 30 ), что уменьшает вероятность образования закалочных дефектов. После закалки структура стали по всему сечению шатуна состоит из мартенсита и ~ 3 …5 % остаточного аустенита.

2.2.1 Полный отжиг

Основные цели полного отжига - устранение пороков структуры, возникших при предыдущей обработке (литьё, горячей деформации или сварке), смягчение стали перед обработкой резанием и уменьшение напряжений, для придания стали определенных характеристик. В целом отжиг рода проводят для приближения системы к равновесию.

При полном отжиге доэвтектоидная сталь после нагрева выше критической точки АC3 на 30 - 50 єC (рис. 5) медленно охлаждается вместе с печью. Охлаждение при отжиге проводят с такой малой скоростью (порядка несколько градусов в минуту), чтобы аустенит распадался при небольшой степени переохлаждения. Так как превращение аустенита при отжиге полностью завершается при температурах значительно выше изгиба С-кривых, то отжигаемые изделия можно выдавать из печи на спокойный воздух при температурах 500 - 600 єC, если не опасны термические напряжения.



Рис. 5. Участок диаграммы Fe-Fe3Cc нанесенным интервалом температур термической обработки: І - полный отжиг; ІІ - нормализация.

Полный отжиг проводят для снижения твердости, повышения пластичности и получения однородной мелкозернистой структуры.

Полный отжиг заключается в нагреве доэвтектоидной стали до температур на 30-50 С выше температуры Ас 3 (чрезмерное повышение температуры выше этой точки приведет к росту зерна аустенита, что вызовет ухудшение свойств стали), выдержке для полного прогрева и завершения фазовых превращений в объеме металла и последующем медленном охлаждении. Для доэвтектоидных сталей такой отжиг с нагревом выше Аcm не пойдет потому что при медленном охлаждении после такого нагрева образуется грубая сетка вторичного цементита, ухудшающая механические свойства. Для доэвтектоидных сталей время нагрева и продолжительность обработки зависят типа печи, способа укладки, типа отжигаемого материала. Наиболее распространенная скорость нагрева составляет ~ 100 C / ч, а продолжительность выдержки - от 0.5 до 1 часа на тонну изделия. Медленное охлаждение обусловлено необходимостью избежать образования слишком дисперсной ферритно - цементитной структуры и следовательно более высокой твердости. Скорость охлаждения зависит от устойчивости переохлажденного аустенита, а следовательно, от состава стали. Ее регулируют, проводя охлаждение печи с закрытой или открытой дверцей, с полностью или частично выключенным обогревом.

При полном отжиге происходит полная фазовая перекристаллизация стали. При нагреве выше точки Ас3 образуется аустенит, характеризующийся мелким зерном, который при охлаждении дает мелкозернистую структуру, обеспечивающую высокую вязкость, пластичность и получение высоких свойств после окончательной обработки.

Структура доэвтектоидной стали после полного отжига состоит из избыточного феррита и перлита.

Существует отжиг противоположный по целям обычному отжигу. Это отжиг на крупное зерно с нагревом до 950-1100 оС, который применяют для улучшения обработки резанием мягких низкоуглеродистых сталей.

Микроструктура стали марки 12ХНЗА после отжига показана на рис. 6.

Рис. 6. Микроструктура стали марки 12ХНЗА после отжига.

2.2.2 Закалка

Закалкой называется процесс термической обработки металлов, состоящий в их нагреве и быстром (иногда постепенном) охлаждении. Закалка применяется для повышения твердости, прочности и износоустойчивости. У некоторых металлов в процессе закалки повышается пластичность. Условия закалки для различных металлов, а порой и различных изделий из одного и того же металла отличаются. Особое значение это имеет для закалки инструментов, поскольку они подвергаются различной нагрузке.

Технология закалки следующая: изделие нагревают до определенной температуры (для стали 18ХГ2 температура равна 900оС) и некоторое время выдерживают. За этот период изделие равномерно прогревается. Далее следует охлаждение. Охлаждают изделие в воде, при необходимости к ней добавляют поваренную соль, которая повышает эффективность закалки.

Температура воды для закалки должна быть на уровне 27-28°. В холодной воде металл делается ломким. Чем теплее вода, тем менее эффективна закалка (металл остается мягким).

Очень важно, чтобы во время охлаждения температура воды или раствора оставалась почти неизменной. Контролировать это непросто. Емкость для охлаждения должна быть такой, чтобы масса помещающейся в ней воды была в 30-50 раз больше массы закаливаемого изделия. Тогда скачки температуры воды от погружения раскаленного металла будут менее значительны. Чтобы охлаждение изделия происходило быстрее, можно перемещать его в емкости в различных направлениях.

Наиболее часто закалке подвергаются стальные изделия. Так, конструкционные стали обычно нагревают до 880-900 ° (цвет каления светло-красный). Особо твердые инструменты российская промышленность выпускает из специальных конструкционных сталей (маркировка "А") с содержанием углерода 0,25-0,7%. Эти стали обладают достаточно высокой прочностью, на которую эффективно воздействует закалка.

Конструкционные углеродистые стали используются в основном в изделиях, для которых особая прочность не требуется. Закалка мало способна повлиять на изменение твердости этой стали. Эффективна закалка и для изделий, выполненных из углеродистой инструментальной стали. Эти стали содержат 0,7-1,5% углерода и отличаются высокой прочностью. Производить закалку инструментальной стали лучше при температуре 750-760° (цвет каления темно-вишнево-красный). Для нержавеющей стали эта температура составит 1050-1100° (цвет темно-желтый), что обусловлено присутствием в ней более тугоплавких никеля и хрома.

Нагревают заготовки вначале медленно (до 500°), а затем быстро. Это необходимо для того, чтобы в металле не возникало внутреннее напряжение, зачастую приводящее к появлению трещин.

Для охлаждения стали после закалки помимо раствора поваренной соли можно использовать растительное или машинное масло. Чаще всего в масле охлаждают конструкционные и инструментальные стали. Детали сложной формы сначала охлаждают в воде (до 300-400°), а затем до полного остывания оставляют в масле. Еще один фактор, говорящий в пользу масла - в масле поверхность стального изделия покрывается плотной коричневой или черной пленкой оксидов, надежно предохраняя ее от коррозии.

В среднем время пребывания заготовки в охладителе рассчитывается, исходя из соотношения: одна секунда на 5-6 мм сечения изделия. Для более интенсивного охлаждения изделие, погруженное в охладитель, надо постоянно перемещать во всех направлениях.

Микроструктура стали марки после 12ХНЗА закалки показана на рис.

Рис. 7. Микроструктура стали марки 12ХНЗА после закалки и охлаждения в масле: доэвтектоидная сталь - феррит (светлые участки) и перлит (темные участки).

2.2.3 Отпуск

Отпуск ? термическая обработка, в результате которой в предварительно закаленных сталях происходят фазовые превращения, приближающие их структуру к равновесной. Сочетание закалки с отпуском предполагает получения более высокого уровня свойств (твердости, характеристик прочности, удельного электрического сопротивления). На рис. 8. показана микроструктура стали после улучшающей обработки (отпуск).

Отпуск при 180 - 200 °С проводится для снятия внутренних напряжений и получение более устойчивого структурного состояния. Он выполняется с целью получения структуры мартенсита отпуска и для частичного снятия внутренних напряжений в закаленной стали с целью повышения вязкости без снижения твердости. После такого режима термической обработки структура поверхностного слоя - мелкоигольчатый мартенсит с вкраплениями избыточного цементита, а сердцевины - мелкозернистый феррит + перлит.

Рис. 8. Микроструктура стали после отпуска:

а -микроструктура поверхностного слоя ? мелкоигольчатый мартенсит с вкраплениями избыточного цементита; б - сердцевина ?мелкозернистый феррит + перлит

В конечном итоге мы получили пластинчатую микроструктуру. Пластинчатая микроструктура позволяет повысить вязкость разрушения, сопротивление росту усталостной трещины, ударную вязкость, а также сопротивление ползучести и длительной прочности.

Заключение

Курсовая работа основана на конкретном материале и содержит разработку решений конкретных технологических задач.

При работе над темой были осуществлены поиск и аналитический обзор источников информации. Структура базы источников: научно-техническая и техническая литература, справочная литература, научно-методическая литература.

Термическая обработка является одной из основных, наиболее важных операций общего технологического цикла обработки, от правильного выполнения которой зависит качество (механические и физико-химические свойства) изготовляемых деталей машин и механизмов.

При знакомстве с источниками особое внимание было уделено рассмотрению конструкции ролика вала рулевой сошки двигателя автомобиля и характеристике марки стали 12ХНЗА.

В курсовой работе приведены графические материалы и таблицы, которые придают излагаемому материалу большую наглядность и доказательность.

При выполнении курсовой работы мы закрепили, обобщили полученные нами в курсе «Материаловедение» теоретические знания.

Все поставленные задачи решены, цель достигнута.

Список используемой литературы

1. Баранов Г.Г. Курс теории механизмов и машин. Учеб. Пособие, изд. 5-е, стереотип. - М.: Машиностроение, 1975 - 494 с.: ил.

2. С.Н. Колесов, И.С. Колесов. Материаловедение и технология конструкционных материалов. М.: - Высшая школа., 2004. - 518 с.

3. Марочник сталей и сплавов. / Под ред. Зубченко А.С./. - М.: Машиностроение. - 2003., - 784 с.

4. Машиностроение. Энциклопедия. Т. 1 - 4 / Под ред. академика РАН К.С. Колесникова/. - М.: Машиностроение. - 1995.

5. машиностроение. Энциклопедия. - М.: машиностроение. Цветные металлы и сплавы. Композиционные металлы, материалы. - 2001., - 880 с.

6. машиностроение. Энциклопедия.- М.: машиностроение. Стандартизация и сертификация в машиностроении.т. 1 - 5 - 2002. -672с.

7. машиностроение. Энциклопедия.- М.: машиностроение. Цветные металлы и сплавы. Композиционные металлы, материалы. - 2001., - 880 с.

8. машиностроение. Энциклопедия».- М.: машиностроение. III-3 Технология изготовления деталей машин. - 2002. - 840 с.

9. Методические рекомендации по выполнению курсовых и выпускных квалификационных работ. / Авторы составители: Г. Г. Козлова, Р. Я. Сафиханов, Н. Н. Минина и др. - Бирск, 2006. - 25 с.

10. Обработка резанием, металлорежущий инструмент и станки. / В. А. Гапонкин и др. - М., 1990. - 228 с.

11. Технология конструкционных материалов: учебник / Под ред. О.С. Комарова. - Минск: Новое знание, 2005. - 560 с., Ил.

12. Технология конструкционных материалов / Под общей ред. заслуж. деят. науки и техники Р.Ф. д-ра техн. наук, проф. А.М. Дальского/. - М.: Машиностроение, - 2004. - 505 с.

13. Пожидаева С.П. Курсовые и выпускные квалификационные работы. Учебно-методическое пособие для студентов факультета технологии и предпринимательства очной и заочной форм обучения, соискателей педагогических работников / специальность 030600, переработанное и дополненное. - Бирск: Бирск. гос. соц.-пед. акад., 2009 - 63 с.

14. Пожидаева С.П. Основы производства: Учебное пособие для студентов высших учебных заведений, обучающихся по специальности 030600 (050502) - технология и предпринимательство - Бирск: гос. соц. пед. академия, 2006. - 250 с.

15. Пожидаева С.П. Основы производства: Материаловедение и производство металлов: учеб. Пособие для студ. высш. учеб.заведения/ С.П. Пожидаева. - М.: Издательский центр «Академия, 2010. - 192 с.

16. http://www.freepatent.ru/patents/2244135

17. http://www.profprokat.ru/content/view/655/7/

Размещено на Allbest.ru