Разработка технологического процесса термической обработки вала распределительного кулачкового двигателя ЗИЛ-130

 

РАЗРАБОТКА ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ПРОЦЕССА ТЕРМИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКИ  ВАЛА РАСПРЕДЕЛИТЕЛЬНОГО КУЛАЧКОВОГО  ДВИГАТЕЛЯ ЗИЛ-130.

Таблица 1 - Технические требования к детали

Наименование         детали	Марка стали	Твердость   поверхности	Твердость   сердцевины	Глубина упрочненного   слоя, мм
Вал распределительный кулачковый	Сталь 20Х	HRCэ 55 - 63	HB 217 - 235	1,6 - 2,0

Распределительные кулачковые валы являются существенной частью двигателей внутреннего сгорания и имеют сложную форму,  которые приводятся в действие с помощью соответствующей передачи. Распределительный кулачковый вал на двигателе служит для привода клапанов. Кулачки взаимодействуют с толкателями клапанов, а также опорные шейки, эксцентрики и отдельные торцевые опорные поверхности должны обладать высокой износостойкостью. Валы представляют собой звенья механизма, передающие крутящие моменты, и по мимо изгиба, испытывающие кручение. Это та деталь, к которой применяются требования высокой поверхностной твёрдости при не высокой прочности сердцевины детали.

Используемая при изготовлении заготовки легированная сталь, марки 20Х имеет среднюю долю углерода 0,2% и легирующий элемент    Хром – 1%.

Сталь 20Х поставляется в виде сортового  проката и поковок.

Марка	Сталь 20Х
Заменитель:	Сталь 15Х ,сталь 20ХН ,сталь 12ХН2 ,сталь 18ХГТ
Классификация	Сталь конструкционная легированная
Применение	втулки, шестерни, обоймы, гильзы, диски, плунжеры, рычаги и другие цементируемые детали, к которым предъявляются требования высокой поверхностной твердости при невысокой прочности сердцевины, детали, работающие в условиях износа при трении.

 

Химический состав в % материала 20Х (ГОСТ 4543-71)

C	Si	Mn	Ni	S	P	Cr	Cu
0.17 - 0.23	0.17 - 0.37	0.5 - 0.8	до   0.3	до   0.035	до   0.035	0.7 - 1	до   0.3

Температура критических  точек материала 20Х.

Ac1 = 750 ,    Ac3(Acm) = 825 ,   Ar3(Arcm) = 755 ,   Ar1 = 665 ,       Mn = 390

 

Механические свойства при Т=20^oС материала 20Х .

Сортамент	Размер	Напр.	sв	sT	d5	y	KCU	Термообр.
-	мм	-	МПа	МПа	%	%	кДж / м2	-
Поковки	до 100		390	195	26	55	590	Нормализация
Поковки	100 - 300		390	195	23	50	540	Нормализация
Поковки	300 - 500		390	195	20	45	490	Нормализация
Пруток	Æ 15		780	635	11	40	590	Закалка и отпуск

Твердость материала   20Х   после отжига ,	HB 10 -1 = 179   МПа
Твердость материала   20Х   калиброванного нагартованного ,	HB 10 -1 = 207   МПа

 

 

Физические свойства материала 20Х.

T	E 10- 5	a 10 6	l	r	C	R 10 9
Град	МПа	1/Град	Вт/(м·град)	кг/м3	Дж/(кг·град)	Ом·м
20	2.16		42	7830
100	2.13	10.5	42	7810	496
200	1.98	11.6	41	7780	508
300	1.93	12.4	40		525
400	1.81	13.1	38	7710	537
500	1.71	13.6	36		567
600	1.65	14	33	7640	588
700	1.43		32		626
800	1.33		31		706
T	E 10- 5	a 10 6	l	r	C	R 10 9

 

 

Технологические свойства материала 20Х.

Свариваемость:	без ограничений.
Флокеночувствительность:	малочувствительна.
Склонность к отпускной хрупкости:	не склонна.

 Легированные стали обладают лучшими механическими свойствами после термической обработки (закалки, отпуска). В изделиях крупных сечений (диаметром свыше 15-20 мм) механические свойства легированных сталей выше, чем углеродистых. Особенно сильно повышаются предел текучести, относительное сужение и ударная вязкость. Это объясняется тем, что легированные стали обладают меньшей критической скоростью закалки, а, следовательно, лучшей прокаливаемостью.

После термической обработки они  имеют более мелкое зерно и  более дисперсные структуры. Из-за большей  прокаливаемости и меньшей критической  скорости закалки легированная сталь  позволяет производить закалку  деталей в менее резких охладителях (масле, воздухе), что уменьшает деформацию изделий и опасность образования  трещин. Для изготовления распределительного вала нужно выбирать сталь, которая  обладает перечисленными свойствами и  деталь, которая выполняется, должна иметь вязкую сердцевину и твердую  поверхность.

Данная сталь 20Х удовлетворяет  этим требованиям и поэтому подходит для изготовления данного распределительного вала.

• Нормализация

Она заключается в нагреве доэвтектоидной стали до температуры, превышающей  точку Ас3 на 50  С, а эвтектоидной стали выше Аст также на 50  С, непродолжительной выдержке для прогрева садки и завершения фазовых превращений и охлаждений на воздухе. Нормализация вызывает полную фазовую перекрристаллизацию стали и устраняет крупнозернистую структуру, полученную при литье или прокатке, ковке или штамповке.

Ускоренное охлаждение на воздухе  приводит к распаду аустенита  при более низких температурах, что  повышает дисперсность ферритно-цементитной  структуры и увеличивает количество перлита. Это повышает на 10-15% прочность  и твердость нормализованной  средне и высокоуглеродистой стали  по сравнению с отожженной.

Нормализация горячекатанной стали  повышает ее сопротивление хрупкому разрушению, что характеризуется  снижением порога хладноломкости и  повышением работы развития трещины.

Назначение нормализации различно в зависимости от состава стали. Для низкоуглеродистых сталей нормализацию применяют вместо отжига. При повышении  твердости нормализация обеспечивает большую производительность при  обработке резанием и получении  более высокой чистой поверхности. Для отливок из среднеуглеродистой стали нормализацию или нормализацию с высоким отпуском применяют  вместо закалки и высокого отпуска. Механические свойства будут при  этом несколько ниже, но изделия  подвергнутся меньшей деформации по сравнению с получаемой при закалке  и вероятность появления трещин практически исключается.

Нормализацию с последующим  высоким отпуском (600-650  С) часто используют для исправления структуры легированных сталей вместо полного отжига, так как производительность и трудоемкость этих двух операций выше, чем одного отжига.

Для конкретной детали (распределительного вала) нормализация проходит при температуре 880С с последующим охлаждением на воздухе.

 

• Закалка

Закалка – это термическая обработка, заключается в нагреве стали  до температуры выше критической  или температуры растворения  избыточных фаз, выдержке и последующем  охлаждении со скоростью, превышающей  критическую. Закалка не является окончательной  операцией термической обработки. Чтобы уменьшить хрупкость и  напряжения, вызванные закалкой, и  получить требуемые механические свойства сталь после закалки обязательно  подвергают отпуску.

Инструментальную сталь в основном подвергают закалке и отпуску  для повышения твердости, износостойкости  и прочности, а конструкционную  сталь – для повышения прочности, твердости, повышения достаточно высокой  пластичности и вязкости, а для  ряда сталей и высокой износостойкости.

Доэвтектоидной стали нагревают до температуры на 30-50С выше точки Ас3. В этом случае сталь с исходной структурой перлит-феррит при нагреве приобретает аустенитную структуру, которая при последующем охлаждении со скоростью выше критической превращается в мартенсит. Закалку от температур соответствующих межкритическому интервалу (Ас1-Ас3), не применяются.

Заэвтектоидные стали под закалку  нагревают несколько выше Ас1. При  таком нагреве образуется аустенит при сохранении некоторого количества вторичного цементита. После охлаждения структура стали состоит из мартенсита и нерастворимых частиц карбидов, обладающих высокой твердостью. Интервал колебания температур закалки большинства  сталей невелик (15-20  С).

Для многих сталей температура нагрева  под закалку значительно превышает  критические точки Ас1 и Ас3 (150-200  С), что необходимо для перевода в твердый раствор специальных карбидов и получения требуемой легированности аустенита.

 

               Рисунок 1 -  Температурный интервал  закалки сталей

 

Охлаждение при закалке должно обеспечить получение структуры  мартенсита в пределах заданного  сечения изделия и не должно вызвать  закалочных дефектов: трещин, деформаций, короблений и высоких растягивающих  остаточных напряжений в поверхностных  слоях. Обычно для закалки используют неклеящие жидкости – воду, водные растворы солей и щелочей, масла.

Существуют различные способы  закалки: непрерывной, прерывистой, ступенчатой, закалка с самоотпуском, изотермическая и светлая закалка.

Закаливаемость – это способность  стали повышать твердость в результате закалки. Закаливаемость стали определяется содержанием в стали углерода. Чем выше в мартенсите углерода, тем выше его твердость. Легирующие элементы оказывают относительно небольшое  влияние на закаливаемость.

Прокаливаемость – это способность  стали получать закаленный слой в  мартенситной или тросто-мартенситной структурой и высокой твердостью на ту или иную глубину. Прокаливаемость  определяется критической скоростью  охлаждения, зависящей от состава  стали. Если действительная скорость охлаждения в сердцевине изделия будет превышать  критическую скорость закали, то сталь  получит мартенситную структуру  по всему сечению  и тем самым будет иметь сквозную прокаливаемость. Если действительная скорость охлаждения в сердцевине будет меньше Vкрю, то изделие прокалится на некоторую глубину и прокаливаемость будет неполной. За глубину закаленного слоя условно принимают расстояние от поверхности до полумартенситной зоны. Диаметр заготовки, в центре которой после закалки в данной охлождающей среде образуется полумартенситная структура, называют критическим диаметром.

• Отпуск

Отпуск заключается в нагреве  закаленной стали до температуры  ниже Ас1, выдержке при заданной температуре  и последующем охлаждении с определенной скоростью. Отпуск является окончательной  операцией термической обработки, в результате которой сталь получает требуемые механические свойства. Кроме  того, отпуск полностью или частично устраняет внутренние напряжения, возникающие  при закалке. Эти напряжения снимаются  тем полнее, чем выше температура  отпуска.

Скорость охлаждения после отпуска  также оказывает большое влияние  на величину остаточных напряжений. Чем  медленнее охлаждение, тем меньше остаточное напряжение. Быстрое охлаждение от 600С создает новые тепловые напряжения. По этой причине изделия сложной формы воизбежание их коробления после отпуска при высоких температурах следует охлаждать медленно, а изделия из легированных сталей, склонных к обратимой отпускной хрупкости после отпуска при 500-600С во всех случаях следует охлаждать быстро.

Низкий  отпуск  проводят  с     нагревом  до 150-200С, реже до 240-250 С. при этом снижаются внутренние напряжения, мартенсит закалки проводится в отпущенный мартенсит, повышается прочность и немного улучшается вязкость без заметного снижения твердости. Закаленная сталь (0.5-1.3% С) после низкого отпуска сохраняет твердость в пределах HRC 58-63, а следовательно, высокую износостойкость. Однако такое изделие не выдерживает значительных динамических нагрузок.