Термическая обработка коленчатого вала

    11. Остаточне шліфування.

    12. Остаточний контроль якості (вимірювання твердості, деформації, магнітна дефектоскопія відсутність шліфувальні тріщин і великих скупчень неметалевих включень).

    Азотування  масових колінчастих валів малого та середнього розміру виконують  або в шахтних печах при вертикальній підвісці валів, або в колпакових печах з горизонтальним розміщенням декількох валів, зібраних в пакет і обертових щодо осі пакета (спосіб групового обертання). Другий спосіб більш універсальний і забезпечує меншу деформацію. У залежності від типорозміру валів і застосовуваної сталі кількість операцій технологічного циклу виготовлення може бути менше, ніж в описаному вище варіанті (особливо для невеликих валів), проте у всіх випадках зберігаються наступні етапи: попередня термічна обробка з метою забезпечення комплексу властивостей у всьому обсязі сталі (як правило, поліпшення), механічна обробка, азотування і доведення.

    Правка  валів після азотування є вкрай  небажаною, оскільки вона суттєво погіршує їх втомну міцність, тому вали слід рихтувати  до азотування і вживати всіх заходів  для запобігання деформації при  подальших операціях.

    Технологія  виготовлення виробів на підприємствах  уявляє собою логічну послідовність  технологічних операцій, виконання  яких дозволяє отримати якісні вироби із відповідними характеристиками та властивостями матеріалу. Маршрутна  технологія уявляє собою рух заготовок  по цехам та відділенням підприємства, в ній зазначаються виконувані операції, які можуть повторюватися, але мати різне призначення, режими та забезпечувати  зміну форми, розмірів, шорсткості поверхні, мікроструктури та властивостей. В  розробці маршрутної технології приймають  участь фахівці тих цехів, в яких відбувається обробка даного виробу. Вона може включати десятки операцій. Ураховуючи це в курсовому проекті  необхідно розробити спрощену маршрутну  технологію, тобто схему маршрутної технології (табл. 1.1). 
 
 
 
 
 
 

    Таблиця 1.1 – Схема маршрутної технології виготовлення колінчастого валу із сталі 38ХН3МФА  

 
 
 
 
 
 
 
 
 

3. Обґрунтування  вибору матеріалу для колінчастого  валу 

    Для виготовлення колінчастого валу оберемо  матеріали, які були запропоновані  в першому розділі, а саме поліпшувальні сталі (38ХН3МФА, 38ХН3МА, 30ХН2МА).

    Дані  сталі застосовують для виготовлення валів, шатунів, штоків і інших деталей, схильних до дії циклічних або  ударних навантажень. У зв'язку з  цим поліпшувальні сталі повинні мати високу межу плинності, пластичність, в'язкість, малу чутливість до надрізу.

    При повній прогартовуваності сталь має кращі механічні властивості, особливо опір крихкому руйнуванню - низький поріг холодноламкості, високе значення роботи розвитку тріщини і в'язкість руйнування.

    Хромонікельмолібденові сталі. Хромонікелеві сталі мають схильність до зворотної відпускної крихкості, для усунення якої багато деталей невеликих розмірів з цих сталей охолоджують після високого відпуску в олії, а більші деталі у воді для усунення цього дефекту сталі додатково легують молібденом або вольфрамом.

    Хромонікельмолібденованадієві сталі мають високу міцність, пластичність і в'язкість і низький поріг холодноламкості. Цьому сприяє високий вміст нікелю. Недоліками сталей є складність їх обробки різанням і велика схильність до утворення флокенів. Сталі застосовують для виготовлення найбільш відповідальних деталей турбін і компресорних машин.

    Хімічний  склад вибраних матеріалів наведено в таблиці 3.1 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

     Таблиця 3.1 – Хімічний склад матеріалів[2] 

 

     Таблиця 3.2 – Механічні властивості матеріалів в стані постачання [2] 

 
 

    Для того, щоб механічні властивості  по усьому перерізу деталі були однаковими, сталь повинна прогартовуватися по всьому перерізу, діаметру деталі. Прогартовуваність залежить від вмісту легуючих елементів і середовища, в якому охолоджується виріб.

    Прогартовуваність оцінюють величиною критичного діаметру - максимального діаметру, в мм, прутка з відповідної сталі, в якому по усьому перерізу після загартування утворюється не менше 50% мартенситу.

    Критичний діаметр прогартовуваності матеріалів наведено в таблиці 3.3 

    Таблиця 3.3 – Критичний діаметр прогартовуваності сталі

 

     Усі легуючі елементи, особливо Ni, підвищують прогартовуваність, а у воді прогартовувати наскрізь вдається деталь великого перерізу, діаметру, чим в олії. Проте, гартувати у воді леговані сталі не рекомендується, із-за небезпеки отримання деформацій, тріщин.

     Технологічні  властивості матеріалів наведено в таблиці 3.4 

    Таблиця 3.4 - Технологічні властивості матеріалів [2] 

 

    Розглянувши та проаналізувавши хімічний склад, режим термічної обробки, механічні  властивості обраних матеріалів,  можна зробити висновок, що найбільш сприятливою із урахування потрібних  властивостей є сплав 38ХН3МФА. Сталь  38ХН3МА не відповідає вимогам границі плинності σ_0,2 та границі міцності σ_В тому вона не підходить для виробництва. Сталь 30ХН2МА відповідає заданим вимогам лише щодо ударної в’язкості матеріалу. Вона хоча й має відповідну в’язкість, але вона має низькі показники міцності та пластичності.

    Якщо  розглядати матеріали на основі техніко-економічного обґрунтування, враховуючи вартість матеріалу, рівень його легування, наявність у  складі коштовних та дефіцитних компонентів, можна сказати, що всі обрані матеріали  мають високу коштовність. Це все  пояснюється тим, що такі відповідальні  деталі, як колінчастий вал, виготовляються лише із високоякісних сталей, що мають гарні властивості. 
 
 
 
 

4. Характеристика  обраного матеріалу 

     Для виготовлення колінчастого валу, було запропоновано поліпшувальну сталь 38ХН3МФА. Цей сплав задовольняє вказаним вимогам, а саме: Т_експл<400^оС, σ_0,2 = 1100 МПа, σ_в=1200МПа, δ₅ =12%, Ψ =50%, KCU = 80 Дж/см².

     Хімічний  склад сплаву 38ХН3МФА наведено в таблиці 4.1. 

    Таблиця 4.1 – Хімічний склад сплаву 38ХН3МФА [2]

 

     Проаналізуємо вплив кожного хімічного елемента на структуру, механічні, фізико-хімічні, технологічні та експлуатаційні властивості  матеріалу.

     Легуючі елементи, впливаючи на процеси, що відбуваються при гартуванні і відпуску, будуть суттєво впливати і на механічні властивості поліпшувальної сталі.

     Легуючі елементи визначають розмір зерна аустеніту, його стійкість при переохолодженні, структуру мартенситу, властивості фериту і карбідної фази і інші фактори. В поліпшувальних конструкційних сталях легуючі елементи перш за все повинні забезпечити необхідну прогартовуваність і необхідні механічні властивості після відпуску. Тому легування сталі зазвичай має багатоцільове призначення. Один і той же елемент може впливати на декілька чинників, через них визначають механічні властивості сталі.

     Нерідко в хромонікелеву сталь крім молібдену (вольфраму) додають ванадій, який сприяє отриманню дрібнозернистої структури. Велика стійкість переохолодженого аустеніту забезпечує високу прогартовуваність цих сталей (критичний діаметр понад 100 мм), що дозволяє зміцнювати термічною обробкою великі деталі. Навіть у дуже великих перетинах (1000-1500 мм і більше) у серцевині після гарту утворюється бейніт, а після відпуску сорбіт. Сталі мають високу міцність, пластичність та в'язкість із низьким порогом холодноламкості. Цьому сприяє високий вміст нікелю. Молібден, присутній в сталі, підвищує її теплостійкість. Ці сталі можна використовувати при 400 -450° С.