Подбор материала и термической обработки для изготовления вала ротора

Размещено на http://www.allbest.ru/

1. Задача

Пользуясь «Марочником сталей и сплавов», выбрать марку стали для изготовления вала ротора электродвигателя (рис.1.18). Производство электродвигателей серийное.

При выборе стали использовать данные согласно выданному варианту домашнего задания (табл.1.18):основные размеры вала, предел текучести сердцевины (не менее), твёрдость сердцевины HB(неменее).

Обосновать сделанный выбор стали, рекомендовать упрочняющую обработку вала, которая обеспечит его работоспособность в предлагаемых условиях.

а б

Рис. 1.18. Вал ротора электродвигателя:

а- общий вид вала ротора; б - эскиз вала

Таблица 1.18 Исходные данные

Выбор стали

Классификация и технические требования к валам. Вал в электрической машине является наиболее нагруженной деталью, передающей крутящий момент исполнительному механизму.От прочности и жесткости вала зависят надежность и качество работы электрической машины, а также в этих деталях требуется износостойкость профилей, и от показателей жёсткости и прочности так же будут зависеть качество работы электродвигателя, а значит и всего электрического агрегата. В зависимости от характера работы валы могут отличаться конструктивными особенностями упоминаемых выше ступеней. По техническим требованиям валов должны соблюдаться следующие условия:

· Материал изготовления - углеродистая сталь 45 либо сталь легированных марок с содержанием хрома, никеля и прочих, повышающих прочность и стойкость к нагрузкам элементов;

· Обязательная нормализация заготовок валов в процессе термообработки;

· Высокая точность ступеней под подшипники, соответствующая классу 2.

· Прочность

· Износостойкость

Проведённый анализ задания показывает, что при весьма обычной геометрии вала выбираемая сталь должна иметь: высокую твёрдость в местах перехода и хорошую износостойкость, хорошую прочность. Так как у меня на исходных данных дано механические характеристики вала и анализировав требования к валам, я определил что надо использовать легированные стали. Теперь мне осталось определить точную марку стали и рекомендовать упрочняющую термическую обработку вала.

Изделия небольшого сечения и несложной формы, работающие при повышенных удельных нагрузках (втулки, валы, оси, кулачковые муфты, поршневые пальцы и т.д.), делают из хромистых сталей 15Х, 20Х, содержащих около 1 % Сr. При содержании хрома до 1,5 % в цементованном слое повышается концентрация углерода, образуется легированный цементит (Fе,Сr)₃С , увеличивается глубина эвтектоидного слоя, а после термической обработки то есть после нормализации, получаем более мелкие зерна, что улучшает пластичность и вязкость.

Для мелких и средних колес приборов, сельскохозяйственных машин применяют хромистые стали 15Х, 15ХФ, 20ХР.

Хромистые стали 15Х, 20Х, а также содержащие дополнительно ванадий (15ХФ) или бор (20ХР), образуют группу дешевых сталей c хорошей прочностю, это очень хорошо для массового производство.

На основе этих данных делаем вывод, что вал с требуемыми характеристиками следует изготовить из стали 20ХН3А.

2.Цементация в твёрдом карбюризаторе

Технологический процесс диффузионного насыщения углеродом называется цементацией. Обычно после цементации сталь подвергают закалке и низкому отпуску. Поверхности, не подлежащие цементации, защищают гальваническим омеднением; толщина медного слоя составляет 0,02 - 0,05 мм.

Цементации обычно подвергают такие детали машин, которые должны иметь износостойкую рабочую поверхность и вязкую сердцевину: зубчатые колеса, валы и пальцы, распределительные валы, кулачки, червяки и т.д.

Процесс цементации в твердом карбюризаторе идет через газовую фазу. Наиболее распространенный твердый карбюризатор состоит в основном из древесного угля с добавкой 20 - 25 % ВаСОз для интенсификации процесса и 3 - 5 % СаСОз для предотвращения спекания частиц карбюризатора. Детали, подлежащие цементации, и карбюризатор упаковывают в контейнер (стальной ящик) и нагревают в печи до 910 - 930 °С. При нагреве уголь взаимодействует с кислородом остаточного воздуха по реакции

2С + O₂ -> 2СО

Кроме того, оксид углерода образуется в результате реакции

ВаСОз + С > ВаО + 2СО

На поверхности деталей протекает процесс цементации реакция диспропорционирования

2СО-С0₂ + С

в результате которой активный углерод адсорбируется насыщаемой поверхностью, находящейся в аустенитном состоянии, а СO₂ взаимодействует с углеродом, образуя новые порции СО.

Таким образом, в результате обратимой реакции диспропорционирования углерод переносится на насыщаемую поверхность.

Типичная структура цементованного слоя на поверхности низкоуглеродистой стали после медленного охлаждения от температуры цементации состоит из заэвтектоидной, эвтектоидной, доэвтектоидных зон. Обычно ее сопоставляют со схемами:

Принято различать полную и эффективную толщину цементованного слоя. За эффективную толщину принимают сумму заэвтектоидной, эвтектоидной и половины доэвтектоидной зоны слоя. Эффективная толщина цементованного слоя обычно составляет 0,5 - 1,8 мм и в исключительных случаях достигает 6 мм (при больших контактных нагрузках на цементованную поверхность).

Рис. 1. Участок диаграммы состояния Fe - Fe3C, а также изменение содержания углерода и структуры по толщине цементованного слоя h(схема) t_ц- температура цементации; t_з1>t_з2- температура нагрева при первой и второй закалке соответственно.

Структура после цементации получается крупнозернистой в связи с длительной выдержкой деталей при температуре науглероживания. Длительность изотермической выдержки при цементации зависит от заданной толщины слоя и марки цементируемой стали.

3.Термическая обработка после цементации

Для получения заданного комплекса механических свойств после цементации необходима дополнительная термическая обработка деталей.

После цементации сталь имеет очень хорошую прочность и твердость которая нам понадобится, кроме того имеет износостойкую рабочую поверхность, а также есть некоторые моменты которые нас не устраивают например: после цементации наша сталь стала крупнозернистой.

Для получения мелкозернистой структуры заготовки валов есть два варианта

1. Нормализация

2. Двойная закалка потом низкий отпуск

Выбираем второй вариант так как у нас не массовое производство, а серийное. От показателей жёсткости и прочности так же будут зависить качество работы электродвигателя, а значит и всего электрического агрегата. Для обеспечения указанных свойств необходимо мелкое зерно, как на поверхности детали, так и в сердцевине. В таких случаях цементованные детали подвергают сложной термической обработке, состоящей из двух последовательно проводимых закалок и низкого отпуска.

При первой закалке деталь нагревают до температуры на 30 -- 50°С выше температуры Ас3 цементируемой стали.

При второй закалке деталь нагревают до температуры t_з2 на 30-50°С выше температуры Ас1 (см. рис. 1).

Окончательной операцией термической обработки является низкий отпуск при 160 -- 200°С, уменьшающий остаточные напряжения и не снижающий твердость стали.

4. Структурные превращения

-На поверхности:

После цементации концентрация углерода на поверхности стальной детали составляет 0,8 -- 1 % и сопротивляется износу, твердость поверхности равна 750 - 950 HV. Наружная часть слоя имеет структуру заэвтектоидных сталей -- перлит и вторичный цементит, который при медленном охлаждении выделяется на границах аустенитных зерен в виде оболочек. Во время термообработки при нагреве на поверхности детали образуется аустенит. При температуре tз1 весь диффузионный слой переходит в аустенитное состояние, поэтому, чтобы предотвратить выделение цементита, проводят первую закалку. При второй закалке в процессе нагрева мартенсит, полученный в результате первой закалки, отпускается, что сопровождается образованием глобулярных карбидов, которые в определенном количестве сохраняются после неполной закалки в поверхностной заэвтектоидной части слоя, увеличивая его твердость. Окончательной операцией термической обработки является низкий отпуск. После двойной закалки и низкого отпуска поверхностный слой приобретает структуру отпущенного мартенсита с включениями глобулярных карбидов.

-В сердцевине:

После цементации сердцевина детали, содержит 0,15 - 0,25 % С и остается вязкой. Структура внутреннего слоя соответствует доэвтектоидной стали, причем количество перлита уменьшается при приближении к сердцевине. Во время термообработки при нагреве в сердцевине детали образуется аустенит. Нагрев до температур, лишь немного превышающих Ас3, вызывает перекристаллизацию сердцевины детали с образованием мелкого аустенитного зерна, что обеспечит мелкозернистость продуктов распада. При температуре tз1 весь диффузионный слой переходит в аустенитное состояние, поэтому, чтобы предотвратить выделение цементита, проводят первую закалку. Вторая закалка обеспечивает мелкое зерно в сердцевине. Окончательной операцией термической обработки является низкий отпуск.

5.Основные сведения о стали 20ХН3А

Химический состав

Влияние легирующих элементов на свойства стали:

Х(Cr) -хром:

Понижает точку А₃ и повышает точку А₁, сужает -область, препятствует росту зерна, резко увеличивает прокаливаемость, уменьшает V_з.кр, понижает точку М_Н, увеличивает А_ост.

Влияние на прочие свойства: растворяется в цементите, замещая атом железа, повышает стойкость против коррозии (при содержании >1%) и окисления, увеличивает износостойкость, повышает сопротивляемость снижению прочности при высоких температурах.

Н(Ni)-никель:

Никель не образует в сталях карбидов. В сталях он является элементом, способствующим образованию и сохранению аустенита. Никель повышает упрочняемость сталей. В комбинации с хромом и молибденом никель еще больше повышает способность сталей к термическому упрочнению, способствует повышению вязкости и усталостной прочности сталей. Растворяясь в феррите, никель повышает его вязкость. Никель увеличивает сопротивление коррозии хромоникелевых аустенитных сталей в неокисляющих кислотных растворах.

После выбранного режима термообработки материал будет обладать следующими свойствами:

Твердость поверхности - HRC59…63, сердцевины - HB280;

Предел прочности у_В=830 МПа;

Относительное удлинение при разрыве d=11%;

Ударная вязкость KCU=69 Дж/см

Список литературы

сталь ротор электродвигатель цементация

1. Материаловедение: Учебник для вузов/ Б. Н. Арзамасов и др. - 8-е изд., стереотип. - М.: Изд-во МГТУ им. Н. Э. Баумана, 2008. - 648 с.: ил.

2. Марочник стали и сплавов электронного типа: http://metallicheckiy-portal.ru/marki_metallov/stk/20XH3A

3. Лекции по материаловедению

Размещено на Allbest.ru