Технология изготовления детали двигателя "шатун"

Размещено на http://www.allbest.ru/

Введение

Дисциплина «Материаловедение и технология конструкционных материалов» изучает закономерности, определяющие 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.

Производство вагонов, локомотивов, рельсов и других изделий, используемых на железнодорожном транспорте, является одним из самых металлоемких. Инженеры-конструкторы и инженеры-технологи, связанные с проектирование, изготовлением и ремонтом железнодорожной техники должны иметь необходимые знания о свойствах металлов, методах их улучшения и технологических процессах производства деталей и изготовления конструкций.

Правильный выбор материала детали и технологии её изготовления обеспечивает надежную работу всей конструкции. 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, например, значительное повышение твердости рабочего слоя детали, получившего упрочнение в процессе эксплуатации.

Большой вклад в развитие материаловедения и термической обработки внесли отечественные (С.С. Штейнберг, Г.В. Курдюмов, В.Д. Садовский и др.) и зарубежные (Д. Гиббс, Э. Бейн и др.) учёные.

Особенно следует отметить русских учёных П.П. Аносова, (1799-1851), впервые применившего микроскоп для исследования строения стали, что позволило установить связи меж её строением и свойствами, и Д.К. Чернова (1839-1921), разработавшего основы материаловедения и термической обработки, а так же установившего влияние термической обработки на структуру стали и её свойства.

Значительный вклад в развитие технологических методов получения, обработки и соединения материалов внесли Г. Бессмер, П. Мартен, С. Томас и др. (разработка способов выплавки сталей) И.А. Тиме, Я. Усачев и др. (разработка теории резания), Н. Бенардос, К. Хренов, Е. Патон и др. (разработка способов сварки).

1. Описание условия работы заданной детали

1.1 Детали двигателя (шатун)

Шатун

Шатун служит для соединения коленчатого вала с поршнем. Через шатун давление на поршень при рабочем ходе передается на коленчатый вал. При вспомогательных тактах (впуск, сжатие и выпуск) через шатун поршень производится в действие от коленчатого вала. Шатун состоит из стального стержня двутаврового сечения, верхней неразъемной и нижней разъемной головок. В верхней установлен поршневой палец, а нижняя закреплена на шатунной шейки коленчатого вала. Для уменьшения трения в верхнюю головку шатуна запрессована бронзовая или биметаллическая с бронзовым слоем втулка, а в нижнюю состоящую из двух частей, установлены тонкостенные вкладыши, представляющие собой стальную ленту, внутренняя поверхность которой покрыта тонким слоем артифрикционного сплава. В изучаемых двигателях на одной шатунной шейки коленчатого вала закреплено по два шатуна. Для правильной их сборке с поршнями нужно помнить, что шатуны правого ряда цилиндров собраны с поршнями так, что номер на шатуне обращен назад по ходу автомобиля а левого ряда - вперед, т. е. совпадает с надписью на поршне.

Условия работы детали "шатун"

Поршень под действием давления газов совершает поступательное движение в сторону коленчатого вала. С помощью кинематических пар «поршень-шатун» и «шатун-вал» поступательное движение поршня преобразовывается во вращательное движение коленчатого вала.

Требования предъявляемые к детали при эксплуатации.

Размерные группы поршневого пальца и отверстия во втулке верхней головки шатуна должны совпадать. При этом зазор между пальцами и втулкой составит 0,0045 ... 0,0095 мм. При таком зазоре поршневой палец входит в отверстие втулки под легким нажимом.

Износ втулок верхних головок шатунов в процессе эксплуатации незначителен. Интенсивность изнашивания для обычных условий эксплуатации составляет 0,16 ... 0,20 мкм на 1000 км пробега. При ремонте изношенных втулок допускается их развертывание под соответствующий ремонтный размер поршневого пальца или замена изношенной втулки на новую с последующим ее развертыванием под номинальный размер поршневого пальца. При замене втулки после запрессовки до развертки ее прижимают к стенкам отверстия с помощью специального инструмента, диаметр которого на 0,5 мм меньше диаметра окончательно обработанного отверстия под поршневой палец.

1.2 Описание конструкции

Шатуны, штампованные из стали, термообработаны до твердости 217 ... 248 HV. Каждый шатун состоит из верхней головки, стержня и разъемной нижней головки. Стержень шатуна двутаврового сечения. Полки стержня соединены стенкой толщиной 4 мм. Наружная поверхность шатуна обдувается стальной дробью. Обдувка дробью создает положительные напряжения в поверхностном слое, что заметно увеличивает сопротивление усталости шатуна.

В верхней головке расточено отверстие, в которое запрессована втулка из бронзы БрОЦС 4-4--2,5. Натяг втулки 0,147 ... 0,200 мм. После запрессовки втулки в верхней головке шатуна сверлят ступенчатое отверстие для смазывания поршневого пальца. Окончательно внутреннее отверстие втулки под поршневой палец обрабатывают после сверления отверстия.

Нижняя головка шатуна с прямым разъемом. Ее наружный размер позволяет устанавливать поршневой комплект сверху, через гильзу цилиндра. Крышка 7 шатуна съемная, изготовлена из стали и подвергнута термообработке до твердости 217 ... 248 HV. Крышка соединена с шатуном двумя болтами с накатанной резьбой Ml 1x1, которые точно фиксируют ее, ограничивая перемещении в пределах 0,000 ... 0,045 мм. Окончательно отверстие в нижней головке шатуна под вкладыши обрабатывают в сборе с крышкой при нормально затянутых шатунных болтах. Момент затяжки должен быть в пределах 56 ... 62 Н-м. Для повышения прочности болтов резьба на них выполнена с закругленной впадиной и по первому классу точности. После окончательной обработки шероховатость поверхности не ниже Ra 0,5. Такая обработка обеспечивает хорошее прилегание вкладышей к постели и надежную их работу, так как позволяет хороший отвод теплоты, возникающий при работе шатунного подшипника. При неплотном прилегании вкладыша к постели на отдельных участках ее поверхности часто выкрашивается антифрикционный слой вкладыша.

Применяют два способа фиксации момента затяжки шатунного болта: бесшплинтовый и шплинтовый . При бесшплинтовом способе в резьбовой части шатунного болта отверстие под шплинт отсутствует. Корончатая гайка заменяется специальной укороченной, а между опорной поверхностью на крышке шатуна и гайкой устанавливается плоская стальная шайба.

В теле шатуна на верхней половине его нижней головки имеется специальное ступенчатое отверстие. Через него масло поступает на стенку цилиндра при пуске и прогреве двигателя, когда количество вытекающего масла через шатунный подшипник еще не достаточно для смазывания цилиндра.

Шатун передает усилие от поршня к коленчатому валу при рабочем ходе и в обратном направлении при вспомогательных тактах.

От провертывания в нижней головке шатуна вкладыши удерживаются выступами (усиками), которые входят в канавки, выфрезерованные в шатуне и его крышке.

Сталь	Химический состав %
	С	Mn	Si	Cr	Mg
25 ХГМ	0.23-0.29	0.9-1.2	0.17-0.37	0.9-1.2	0.2-0.3

Cталь	Механические свойства
	?в.	?т.	? %	? %
25 ХГМ	120	110	10	45

деталь шатун сталь примесь термообработка

2. Процесс кристаллизации сплава сталь 25 ХГМ.

2.1 Процесс кристализации сплава с С=0.25%

1. Выше точки 1 сплав находиться в жидком состоянии.

2. На отрезке 1-2 в жидкой фазе выделяются кристаллы феррита "дельта"

3. При температуре 1500 С протекает перитектическое превращение Ж+Ф? = А

4. На отрезке 2-3 в жидкой фазе выделяются кристаллы аустенита.

5. На отрезке 3-4 сплав находится в однофазном состоянии и состоит из кристаллов аустенита.

6. На отрезке 4-5' сплав состоит из кристаллов А+Ф

7. При температуре 727 С протекает эвтектоидное превращение А= П(Ф+Ц)

8. Окончательная структура сплава, в равновесном состоянии образовалась: феррит+перлит.

2.2 Определение процесса кристаллизации сплава

Чистое железо -- металл серебристого цвета. Температура плавления железа 1539 °С. Чистое железо, которое может быть получено в настоящее время, содержит 99,999 % Fe. Технические сорта железа содержат 99,8...99,9% Fe. Железо известно в двух полиморфных модификациях ? и ?. Модификация ?-железо (Fe ?) существует при температурах ниже 910 °С и выше 1392 °С. Для интервала температур 1392...1539 °С ?-железо нередко обозначают как ?-железо (Fe ?).Кристаллическая решетка ?-железа-объемноцентрированный куб с периодом решетки а=0,28606 нм. До температуры 768°С железо магнитно (ферромагнитно). Критическую точку (768°С), соответствующую магнитному превращению, т.е. переходу из ферромагнитного состояния в парамагнитное, называют точкой Кюри и обозначают А2 ?-железо (Fey) существует при температуре 910...1392°С; оно парамагнитно. Критическую точку ??-превращения при 910 °С обозначают соответственно Ас3 (при нагреве) и Аr3 (при охлаждении). Критическую точку перехода ? <=> ? железа при 1392 °С обозначают Ac4 (при нагреве) и Аr4 (при охлаждении).Кристаллическая решетка ? -железа -- гранецентрированный куб с периодом решетки а = 0,3645 нм.

Углерод является неметаллическим элементом. Температура плавления углерода 3500 °С. Углерод полиморфен. В обычных условиях он находится в виде модификации графита.Углерод растворим в железе в жидком и твердом состояниях, а также может находиться в виде химического соединения Fe3C -- цементита, а в высокоуглеродистых сплавах и в виде графита.

В системе Fe--С различают следующие фазы: жидкий сплав, твердые растворы -- феррит и аустенит, а также цементит и графит.

Феррит (Ф) -- твердый раствор углерода в ?-железе. Различают низкотемпературный ?-феррит с растворимостью углерода до 0,02% и высокотемпературный ?-феррит с предельной растворимостью углерода 0,1%. Атом углерода располагается в решетке феррита в центре грани куба. Под микроскопом феррит выявляется в виде однородных полиэдрических зерен. Феррит (0,006 % С) имеет примерно следующие механические свойства: ?в = 250 МПа; ?0,2= 120 МПа; ?=50 %; ?=80 %; 80...90 НВ.

Аустенит (А) -- твердый раствор углерода в ?-железе. Предельная растворимость углерода в ?-железе 2,14 %. Атом углерода в решетке ?-железа располагается в центре элементарной ячейки.

Цементит -- это химическое соединение железа с углеродом -- карбид железа Fe3C. В цементите содержится 6,67 % углерода. Цементит имеет сложную ромбическую решетку с плотной упаковкой атомов. Температура плавления цементита точно не определена в связи с возможностью его распада и принимается равной примерно 1250 °С.

Перлит -- одна из структурных составляющих железоуглеродистых сплавов -- сталей и чугунов: представляет собой эвтектоидную смесь двух фаз -- феррита и цементита (в легированных сталях -- карбидов)

3. Влияние углерода и постоянных примесей на свойства стали

Сталь является многокомпонентным сплавом содержащим углерод и ряд постоянных или нормальных примесей Mn, Si, S, P, O, H, N и др., которые влияют на её свойства.

Влияние углерода. Структура стали после медленного охлаждения состоит из двух фаз - феррита и цементита. Количество цементита возрастает в стали прямо пропорционально содержанию углерода. Твёрдые и хрупкие частицы цементита повышает сопротивление движению дислокаций, т.е. повышает сопротивление деформации и уменьшает пластичность и вязкость. Вследствие этого, с увеличением в стали углерода, возрастают твёрдость , временное сопротивление разрыву и предел текучести, а уменьшаются относительное удлинение, относительное поперечное сечение и ударная вязкость.

Каждая 0.1% С повышает температуру порога хладноломкости в среднем на 20_ С.

При сожержании в стали >1,0...1,2% C ее твёрдость в отожженном состоянии возрастает, а временое сопротивление разрыву уменьшается. Последнее объясняется выделением по границам бывшего зерна аустенита вторичного цементита. При испытании на растяжение цементит, будучи хрупким, разрушается, что приводит к преждевременному разрушению образца и снижению временого сопротивления.

Влияние кремния и марганца. Содержание кремния в углеродистой стали, в качестве примеси, обычно не привышает 0,35...0.4%, а марганца 0,5...0,8%. Кремний и марганец переходят в сталь в процессе её раскисления при выплавке.

Кремний, остающийся после раскисления в твёрдом растворе (в феррите), сильно повышает предел текучести.

Марганец заметно повышает прочность, практически не снижая пластичности, но резко уменьшает красноломкость стали, т.е. хрупкость при высоких температурах, вызваную влиянием серы.

Влияние серы. Сера является вредной примесью в стали. С железом она образует химическое соединение FeS, которое практически нерастворимо в железе в твёрдом состоянии. Соединение FeS, которое практически нерастворимо в железе в твёрдом состоянии. Соединение FeS образует с железом легкоплавкую эвтектику (температура плавления 988 С), которая располагается по границам зерен. При нагревании стали до температуры прокатки или ковки (1000...1200 С) эвтектика расплавляется, нарушается связь между зернами металла, и вследствие этого при деформации стали в местах расположения эвтектики возникают надрывы и трещины. Это явление носит название красноломкости.

Присутствие в стали марганца, обладающего большим сродством к сере, чем железо, и образующего с серой тугоплавкое соединение MnS, практически исключает явление красноломкости. Сера снижает работу развития трещины (КСТ), предел выносливости. Кроме того, сера ухужщает свариваемость и коррозионную стойкость.

Поэтому содержание серы в стали строго ограничевается до 0.035...0.06%.

Влияние фосфора. Фосфор растворяется в Fe? и Fe?, а при высоком содержании (более 1,0...1,2%) образует фосфид Fe3p, содержащий 15,62% P. Растворяясь в феррите, фосфор сильно искажает кристаллическую решётку и увеличивает временное сопротивление разрыву и предел текучести, но сильно уменьшает пластичность и вязкость. Снижение вязкости тем значительнее, чем больше в стали углерода. Фосфор повышает порог хладноломкости и уменьшает работу развития трещины. Каждая 0.01% P повышает порог хладноломкости стали на 20...25 С.

В большинстве сталей фосфор является вредной примесью. В зависимости от качества стали допускается <0,025...0,08% P.

Влияние азота, кислорода и водорода. Азот и кислород присутствуют в стали в виде хрупких неметаллических включений ( например, FeO, SiO2, Al2O3, Fe4N и др.), твердых растворов или в свободном виде, располагаясь в раковинах, трещинах и других дефектных участках металла. Примеси внедрения (азот, кислород,), концентрируясь по границам зерен в виде нитридов и оксидов, повышают порог хладноломкости, понижают сопротивление хрупкому разрушению и предел выносливости стали.

Очень вреден растворенный в стали водород, который охрупчивает сталь. Поглощенный при выплавке стали водород не только охрупчивает сталь, но и приводит к образованию в крупных катаных заготовках и поковках флокенов. Флокены представляют собой очень тонкие трещины. В изломе флокены имеют вид пятен-хлопьев серебристого цвета. Флокены резко ухудшают свойства стали. Металл, имеющий флокены, нельзя использовать в промышленности.

4. Влияние легирующих элементов на полиморфные превращения

железа

Легирующие элементы при введении в сталь могут образовывать с железом твёрдые растворы, растворяться в цементите или давать самостоятельные специальные карбиды, а также при высоком содержании образовывать с железом интерметаллические соединения.

Все элементы, за исключением углерода, азота, водорода и отчасти бора, образуют с железом твёрдые растворы замещения. Они растворяются в железе и влияют на температурную область существования a- и y-железа.

Легирующие элементы по влиянию на температурную область существования полиморфных модификаций железа можно разделить на две группы. К элементам первой группы относятся никель, марганец и др. которые понижают точку А3 и повышают точку А4. К элементам первой группы также относятся медь, углерод и азот, но они при небольшом содержании в сплаве расширяют область существования гомогенной ?-фазы, а при большем содержании, вследствие их ограниченной растворимости в железе, сначала сужают однофазную область ?-фазы и затем ее полностью выключают, хотя двухфазные области, в которых присутствует ?-фаза, сохраняются.

Элементы 2 группы (Cr, W, Mo, V, Si, Al и др.) понижают точку А4 и повышают точку А3. Это приводит к тому, что при определённой концентрации легирующих элементов критические точки А3 и А4, а точнее их интервалы, сливаются и область y-фазы полностью замыкается.

К той же группе легирующих элементов надо отнести бор, цирконий, ниобий. Даже при сравнительно небольшом содержании эти элементы способствуют сужению области y-фазы. Однако вследствие их малой растворимости в железе, прежде чем наступает полное замыкание однофазной области ?-фазы, образуются двухфазные сплавы.

5. Метод термообработки детали для обеспечения требуемой

работоспособности и надежности

В качестве вида термообработки назначаем закалку с высоким отпуском.

Закалка стали заключается в нагреве :

Доэвтектоидной стали выше линии Ас3 ;

Эвтектоидной и заэвтектоидной - выше Ас1 ;

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. После высокого отпуска структура стали состоит из сорбита отпуска (с зернистым строением цементита), имеющего высокий комплекс механических свойств (высокую вязкость). Высокий отпуск проводят для нагруженных конструкционных деталей. Сочетание закалки с высоким отпуском называют улучшением. Улучшению подвергают стали с содержанием углерода 0,3... 0,5 %.

Схема термообработки для закалки:

5.1 Определение режимов термообработки

Определение температуры нагрева.

Определяем температуру точки Ас3: Т Ас3= 911-кn, где

к- величина падения температуры при изменении концентрации углерода в сплаве на 0,1 % С.

При этом следует учитывать ,что линия GS имеет излом в точке М и следовательно:

для участка GM : К== 28,6° С

для участка MS : К== 13,6° С

Точка М соответствует концентрации углерода 0,5 % и температуре 768° С.

n- количество интервалов, соответствующее концентрации углерода рассматриваемого сплава.

Для определения температурного интервала под нормализацию для доэвтектоидных сталей

Т нормализации = Т Ас3+(30…50)° С.

Для неполной закалки доэвтектоидных сталей

Т полной закалки = Т Ас3+(30…50)° С.

Для эвтектоидных и заэвтектоидных проводят неполную закалку.

Т неполной закалки = Т Ас1+(30…50)° С,

где Т Ас1 = 727° С.

При определении температуры нагрева лигированных сталей необходимо учитывать влияние легирующих элементов на положение критических точек :

Mn, Ni, Co, Cu - снижают положение критических точек Ас1 и Ас3 на 30…50° С на каждый легирующий элемент, содержащийся в стали.

Остальные легирующие элементы повышают положение критических точек Ас1 и Ас3 на 30…50° С на каждый легирующий элемент, содержащийся в стали.

В качестве вида термообработки проводим закалку с высоким отпуском.

Сталь 25 ХГМ

Концентрация углерода в данной стали С =0,25 %, следовательно, количество интервалов оси концентрации С % составляет n=2,5. Критическая точка для данного сплава располагается на отрезке GM, значит значение к принимаем равным 28,6° С. По выражению (Т Ас3= 911-кn) определяем температуру критической точки Ас3 :

Т Ас3=911-28,6·2,5=839,5° С.

Сr повышает t Ac3 на 30…50 С

Mn повышает t Ac3 на 30…50 С

Mg понижает t Ac3 на 30…50 С

Принимаем для расчёта t=40 C - cреднее значение

Tпол.зак.=879,5+(30…50)=909,5…929,5 С

Определяем продолжительность нагрева.

Для определения продолжительности нагрева деталей простой конфигурации в пламенных печах используют следующее эмпирическое выражение :

?общ.=?н+?в

где ?общ.- Общая продолжительность нагрева, мин.

?н- время продолжительности прогрева до заданной температуры, Мин.

?н= 1,25?·к·d

где 1,25- коэффициент, учитывающий добавку времени необходимую

для выравнивания температуры по сечению детали.

? - удельное время нагрева, выбираемое в зависимости от формы

поперечного сечения детали, мин/мм :

для деталей круглого сечения ?=1

для деталей квадратного сечения ?=1,5

для деталей прямоугольного сечения ?=2

к- коэффициент, учитывающий плотность укладки на поду печи

d- наименьший геометрический размер детали, мм.

?в- продолжительность выдержки при заданной температуры и

зависит от среды нагрева :

при нагреве в газовой среде ?в= 1 мин.

при нагреве в расплавах солей ?в=0,5 мин.

При нагреве в расплавах металлов ?в=0,25 мин.

?н=1,25·2·1·20=45 мин.

?в=1 мин.

?общ.=46 мин.

Схема режима охлаждения при ступенчатой закалке:

Ступенчатая закалка. При этом способе деталь после нагрева переносят в среду с температурой несколько выше температуры точки М, выдерживают в ней до выравнивания температуры по всему сечению и дальнейшее охлаждение осуществляют на воздухе. Применение ступенчатой закалки ограничивается размерами деталей: 10... 12 мм - для деталей из углеродистой стали и 20...30 мм - для деталей из легированных сталей. В данном способе закалки уменьшается склонность к образованию трещин и снижаются закалочные деформации.

Выбор среды нагрева. В качестве контролируемой атмосферы при термообработки выбираем ПСО-06.

5.2 Выбор метода и условий контроля свойств детали - шатун после

термической обработки

В качестве метода контроля свойств выбираем измерение твердости по методу Роквелла.

В этом методе твердость определяют по глубине отпечатка. Наконечником служит алмазный конус с углом при вершине 120 или стальной закаленный шарик с d=1,588 мм. Алмазный конус применяют для испытания твердых металлов, а шарик -для мягких металлов.

Конус и шарик вдавливают двумя последовательными нагрузками (рис.4);предварительной =100 Н и общей Р=+(где - основная нагрузка). Основная нагрузка составляет 900 Н для шарика (шкала В), 1400 Н для алмазного конуса (шкала С) и 500 Н для алмазного конуса при испытании очень твердых и более тонких материалов (шкала А).

Схема определения твердости вдавливанием алмазного конуса.

Твердость по Роквеллу измеряют в условных единицах. За единицу твердости принята величина, соответствующая осевому перемещению наконечника на 0,002 мм. Твердость по Роквеллу (НR) определяют по формулам.

При измерении по шкалам А и С

HR = 100-е.

При измерении по шкале В

HR = 130 - е

Величина е определяется по следующей формуле.

где h0 -- глубина внедрения наконечника в испытываемый материал под действием предварительной нагрузки Р0; h-глубина внедрения наконечника в испытываемый материал под действием общей нагрузки Р , измеренная после снятия основной нагрузки Р1 с оставлением предварительной нагрузки Р0.

Твердость по Роквеллу обозначается HRA (шкала А), HRC (шкала C) и HRB (шкала В) и сразу указывается по шкале прибора.

Для измерений твердости по шкале С Роквелла применяют шкалу, воспроизводимую государственным специальным эталоном. Тогда твердость обозначают . Метод Роквелла нашел широкое применение в промышленности.

Список литературы

1. Мозберг Р.К. Материаловедение - М.: Высшая школа, 1991-448с.

2. Лахтин Ю.М., Леонтьева В.П. Материаловедение - М.: Машиностроение, 1990-493с.

3. Справочник металлиста. В 5-ти т. Т.2. Под ред. Рахштадта А.Г. и Бромстрема В.А. - М.: Машиностроение, 1976-720с.

Размещено на Allbest.ru