Выбор и обоснование способа термической обработки детали (инструмента)

СОДЕРЖАНИЕ
Введение……………………………………………………………………….…...3
1 Характеристика стали 45……………………………………………………......4
2 Условия работы пальца и предъявляемые требования……..…........................6
3 Термическая обработка пальца из стали 45……………………………………8
3.1 Предварительная термообработка……………………………………..8
3.2 Упрочняющая термическая обработка……………………….………..9
Заключение………………………………………………………………………..14
Список использованных источников……………………………………………15
ВВЕДЕНИЕ
Разнообразие свойств материалов является главным фактором, предопределяющим их широкое применение в технике. Материалы обладают отличающимися друг от друга свойствами, причем каждое зависит от особенностей внутреннего строения материала. В связи с этим материаловедение как наука занимается изучением строения материала в тесной связи с их свойствами. Основные свойства материалов можно подразделить на физические, механические, технологические и эксплуатационные.
Среди механических свойств прочность занимает особое место, так как прежде всего от нее зависит неразрушаемость изделий под воздействием эксплуатационных нагрузок.
Теоретически обоснованный выбор подходящих конструкционных материалов для деталей различного целевого назначения и поиск рациональных способов формирования в них требуемых прочностных свойств для обеспечения надежности и долговечности изделий является важной задачей.
Целью данной работы является правильный выбор способа термической обработки пальца из стали 45.
1 Характеристика стали 45
По химическому составу сталь 45 является среднеуглеродистой, по качеству – качественная (количество вредных примесей – серы и фосфора менее 0,035 % каждого элемент), по степени раскисления – спокойной, по структуре – доэвтектоидной, по назначению – конструкционной машиностроительной.
Полный химический состав стали 45 представлен в таблице 1, технологические свойства – в табл. 2, механические свойства – в табл. 3
Таблица 1 – Химический состав стали 45
C Si Mn Ni S P Cr Cu As
0.42 - 0.5 0.17 - 0.37 0.5 - 0.8 до   0.3 до   0.04 до   0.035 до   0.25 до   0.3 до   0.08
Таблица 2 – Технологические свойства стали 45
    Свариваемость:     трудносвариваемая.
        Флокеночувствительность:     малочувствительна.
        Склонность к отпускной хрупкости:     не склонна.
Таблица 3 – Механические свойства стали 45 в состоянии поставки
ГОСТ Состояние поставки, режим термообработки Сечение, мм σв(МПа) δ5 (%) ψ %
1050-88  Сталь горячекатаная, кованая, калиброванная и серебрянка 2-й категории после нормализации  25  600 16  40
Сталь калиброванная 5-й категории после нагартовки  Образцы  640  6  30
 10702-78 Сталь калиброванная и калиброванная со специальной отделкой после отпуска или отжига -   до 590    40
1577-93 Листы нормализованный и горячекатаныеПолосы нормализованные или горячекатаные  806-25  590600  1816  40
 16523-97 Лист горячекатаный Лист холоднокатаный   до 22-3,9до 22-3,9 550-690 550-690   14151516 -
-
-
- 
Твердость стали 45 в состоянии поставки – 197 HB
Применение: из стали 45 изготавливают вал-шестерни, коленчатые и распределительные валы, шестерни, шпиндели, бандажи, цилиндры, кулачки и другие нормализованные, улучшаемые и подвергаемые поверхностной термообработке детали, от которых требуется повышенная прочность.
Значение температур критических точек стали 45 представлены в таблице 4.
Таблица 4 – Критические точки стали 45
Температура критических точек, оС
Ас1 Ас3 Аr1 Mn
710 755 780 350
Структура стали 45 в исходном состоянии представляет собой перлит и феррит (рис. 1).

Рисунок 1 – Структура доэвтектоидной стали 45
2 Условия работы пальца и предъявляемые требования
Палец (рис. 2) служит осью в шарнирном соединении поршня с шатуном и воспринимает все передающиеся между ними силовые нагрузки.

1 – поршень; 2 – верхнее компрессионное кольцо; 3 – второе компрессионное кольцо;
4 – маслосъемное кольцо; 5 – поршневой палец; 6 – стопорные кольца
Рисунок 2 – Поршень двигателя
 Поршневой палец должен обладать высокой износостойкостью и одновременно хорошо противостоять действию ударных нагрузок.
В процессе эксплуатации на поршневой палец воздействуют силы трения, вибрация, знакопеременные нагрузки, агрессивная среда и другие факторы. Все это вызывает появление износа, нарушение качества поверхности, механические повреждения.
Исходя из условий работы к материалу поршневого пальца, предъявляются следующие требования:
- высокая твердость (необходима для затруднения истирания контактных поверхностей при их проскальзывании) и износостойкость рабочей поверхности при сохранении вязкой сердцевины;
- достаточно высокая механическая прочность поверхностного слоя;
- сохранение вязкой сердцевины для восприятия ударных нагрузок.
Выполнение таких требований может быть обеспечено получением твердого износоустойчивого верхнего слоя металла вала в сочетании с достаточно вязкой сердцевиной.
Немаловажными требованиями к материалу для изготовления поршневого пальца являются:
- хорошие технологические свойства, например, обрабатываемость резанием;
- экономические требования (невысокая стоимость стали).
Учитывая условия работы пальца, к нему предъявляются следующие требования: твердость поверхности 50 – 53 HRC при твердости сердцевины 280 – 300 HВ.
Сталь 45 по химическому составу углеродистая, т.е. не содержит легирующих элементов и имеет более низкую стоимость по сравнению с легированными сталями.
Для обеспечения заданных требования для изготовления поршневого пальца используют среднеуглеродистые стали, подвергаемые поверхностному упрочнению закалкой ТВЧ.
3 Термическая обработка пальца из стали 45
Для получения требуемых механических свойств проводят термическую обработку:
предварительную термическую обработку (отжиг) проводят для снятия внутренних напряжений, полученных при предыдущих видах обработки, а также подготовки структуры к дальнейшей термообработке, также для уменьшения твердости для улучшения обрабатываемости резанием;
улучшение (закалку с высоким отпуском) для получения необходимых механических свойств по всему сечению детали;
поверхностная закалка ТВЧ с последующим низким отпуском для обеспечения повышенной износостойкости поверхности.
3.1 Предварительная термообработка
В результате горячей обработки давлением (прокатки, ковки, штамповки) при высокой температуре будут образовываться крупные зерна, при низкой температуре может возникать строчечная структура. Для исправления структуры после обработки давлением проводят полный отжиг.
Полный отжиг – нагрев доэвтектоидной стали на 30-50°С выше критической точки Ас3 или линии GS (рис. 3), выдержка для прогрева металла и завершения фазовых превращений, медленное охлаждение с печью.
Полный отжиг сопровождается полной фазовой перекристаллизацией (феррита в аустенит), обеспечивает получение равновесной структуры (перлит + феррит), отвечающей максимальной пластичности и низкой твердости.
Применяется для смягчения стали (снижения твердости) перед обработкой резанием, для снятия внутренних напряжений и устранения пороков структуры.
Температура нагрева при полном отжиге (точка 1 на рис. 3):
Тн= Ас3 + (30-50 оС) (1)
Для стали 45:
Тн= 755 + (30-50 оС) = 785 - 805 оС.
Нагрев изделий до температуры отжига проводят медленно вместе с печью для обеспечения равномерного прогрева деталей.

Рисунок 3 – Стальной участок диаграммы железо - цементит
Время выдержки при температуре отжига для углеродистых сталей определяется из расчета 2 мин на 1 мм сечения изделия (вала). Таким образом, время выдержки для пальца сечением 20 мм составит 40 мин.
В результате после отжига образуется равновесная феррито-перлитная структура. Твердость деталей после отжига составит менее 197 HB.
3.2 Упрочняющая термическая обработка
Закалка – вид термической обработки, который заключается в нагреве стали до определенных температур, выдержке при этих температурах и последующем охлаждении со скоростями выше критической скорости закалки (V≥Vкр).
Критическая скорость закалки (Vкр) – минимальная скорость, при охлаждении с которой обеспечивается получение структуры мартенсита, обладающей высокой твердостью.
Температура нагрева при закалке определяется так же, как и при отжиге, т.е. составит 785 - 805 оС. Такая закалка называется полной. На участке диаграммы железо – цементит (рис. 4) представлен температурный интервал закалки углеродисты сталей.

Рисунок 4 – Температурный интервал закалки сталей
Выдержка при температуре закалке зависит от сечения изделий. Для пальца сечением 20 мм из углеродистой стали 45 длительность выдержки определяется из расчета 1 мин на 1 мм сечения детали и составит 20 мин.
Сталь с исходной феррито-перлитной структурой при нагреве до температур закалки приобретает аустенитную структуру
Охлаждающая среда для углеродистых сталей – вода, т.к. эти стали имеют высокую критическую скорость закалки и небольшую прокаливаемость. При охлаждении в воде структура аустенит превратится в мартенсит. Закаленная сталь имеет высокую твердость, повышенную хрупкость, приобретает большие внутренние напряжения.
После закалки проводят отпуск.
Отпуск – вид термической обработки, который заключается в нагреве стали до температур ниже критической точки Ас1 или линии PSK на диаграмме железо - цементит, выдержке при этих температурах и последующем охлаждении (обычно на воздухе).
Для полного снятия внутренних напряжений и получения оптимального сочетания ударной вязкости и прочности по всему сечению детали проводят высокий отпуск с нагревом до температур 600-620 оС (точка 2 на рис. 3), охлаждение на воздухе. Длительность высокого отпуска назначается из расчета 10 мин + 1 мин / 1мм сечения = 30 мин.
Структура после высокого отпуска – зернистая феррито-цементитная смесь, называемая сорбитом отпуска.
Механических свойства после закалки и высокого отпуска (улучшения): σв= 730 МПа, σт= 590 МПа, δ=25 %, ψ= 55 %, KCU = 118 Дж/см2, твердость 280 - 300 HB.
После улучшения для получения упрочненного слоя глубиной 1–1,5 мм проводится упрочняющая термообработка – поверхностная закалка на установках ТВЧ от температуры 880–900 °С. Высокая скорость нагрева смещает фазовые превращения в область более высоких температур. Поэтому температура закалки при нагреве токами высокой частоты должна быть выше, чем при обычном нагреве. После закалки поверхность приобретает структуру мартенсита, структура сердцевины сохраняется без изменений, т.е. сорбит отпуска. За счет образования структуры мартенсита поверхность приобретает высокую твердость, при этом сердцевина остается более пластичной и вязкой.
После закалки проводится низкий отпуск при температуре 180…200 ℃ и охлаждением на воздухе. При низком отпуске сохраняется высокая твердость, полученная после закалки ТВЧ, также происходит частичное снятие напряжений, образованных в процессе закалки.
Превращения в структуре заключаются в том, что из мартенсита закаленного при нагреве до 200 ℃ происходит частичное выделение углерода, образуется структура мартенсита отпуска. Длительность низкого отпуска назначается из расчета 2 ч + 1 мин / 1 мм сечения, получим 2 ч 20 мин.
Механические свойства поверхности пальца после назначенной термической обработки: HRC 50-53.
Структура после назначенной термообработки представлена на рис. 5.

Рисунок 5 – Схема микроструктуры детали из стали 45 после
окончательной термообработки
Таким образом, назначенная термическая обработка обеспечивает получение требуемого комплекса механических свойств.
График режимов упрочняющей термообработки поршневого пальца из стали 45 представлен на рис. 6.

Рисунок 6 – График режимов термообработки пальца из стали 45
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
В данной работе проведен анализ условий работы поршневого пальца из стали 45. Установлено, что эта деталь работает в условиях трения, поэтому основными требованиями к деталям являются высокая твердость и износостойкость поверхности при сохранении вязкой сердцевины.
Дана характеристика стали 45, ее химического состава, механических и технологических свойств.
Учитывая предъявляемые требования высокой твердости поверхности HRC 50-53, для стали 45 были выбраны следующие виды термической обработки:
предварительная термообработка – полный отжиг;
объемная упрочняющая термообработка – полная закалка и высокий отпуск (улучшение);
поверхностная упрочняющая обработка – закалка ТВЧ и низкий отпуск.
В ходе работы назначены режимы термической, представлены структуры и механические свойства, полученные в результате назначенной термообработки.
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ
1 Арзамасов, Б.Н. Материаловедение: учебник для вузов по напр. подготовки и спец. в области техники и технологии / Б.Н. Арзамасов, В.И. Макарова, Г.Г. Мухин [и др.]; под общ. ред. Б.Н. Арзамасова, Г.Г. Мухина. М.: Московский гос. техн. ун-т им. Н.Э. Баумана, 2005 - 646 с.
2 Арзамасов, В. Б. Материаловедение и технология конструкционных материалов: учебник для вузов / В.Б. Арзамасов, А.Н. Волчков, В.А. Головин [и др.]; под ред. В.Б. Арзамасова, А.А. Черепахина. М.: Академия, 2007 - 447 с.
3 Башнин, Ю. А., Ушаков Б. К., Секей А. Г. Технология термической обработки. – М.: Металлургия, 1986 – 538 с.
4 ГОСТ 1050-88 Прокат сортовой, калиброванный, со специальной отделкой поверхности из углеродистой качественной конструкционной стали. Общие технические условия. М.: Изд-во Стандартинформ. 2010 – 376 с.
5 Лахтин, Ю. М. Материаловедение: учеб. для вузов / Ю.М Лахтин, В.П. Леонтьева– М.: Машиностроение, 1990 – 396 с.
6 Мухин, Г. Г. Машиностроение: Энциклопедия: в 40 т. / Г.Г Мухин, А.И. Беляков, Н.Н. Александров. – М.: Машиностроение, 2000. – 485 с.
7 Сорокин, В. Г. Марочник сталей и сплавов / В. Г. Сорокин, А. В Волосникова, С.А Вяткин – М.: Машиностроение, 1989. – 485 с.
8 Николаев, Е. В. Термическая обработка металлов и оборудование термических цехов: Учеб. пособие для тех. училищ. М.: Высшая школа, 1960 – 349 с.
9 Самохоцкий, А. И., Парфеновская Н. Г. Технология термической обработки металлов. 2-е изд., перераб. и доп. М.: Машиностроение, 1976 – 386 с.
10 Гуляев, А.П. Металловедение: учебник для вузов / А.П. Гуляев. – М.: Металлургия, 1986. – 538 с.