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

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.

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

Температура критических  точек материала 20Х.

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

Физические свойства материала 20Х.

Технологические свойства материала 20Х.

 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.

Высокотемпературный отпуск. Его проводят при 500-680  С. структура стали при высоком отпуске – сорбит отпуска. Высокий отпуск создает наилучшее соотношение прочности и вязкости стали. Его проводят с целью:

• Снижение внутреннего напряжения;
• Снижение твердости для обдирки слитка.

              Рисунок 2 - Схема микроструктуры  после улучшения

Закалка с высоким отпуском по сравнению  с нормализованным или отожженным состоянием одновременно повышает пределы прочности и текучести, относительное сужение и особенно ударную вязкость. Термическую обработку, состоящую из закалки и высокого отпуска, называют улучшением. Отпуск при 550-600С в течение 1-2 часов почти полностью снимает остаточное напряжение, возникшее при закалке. Чаще длительность высокого отпуска составляет 1-6 часов в зависимости от габаритных размеров изделий.

Для конкретной детали (распределительный  вал) режимы термической обработки  состоят из:

Предварительной термической обработки  слитка, которая состоит из высокого отпуска, после чего производится нормализация.

Далее проводится правка детали, которая  устраняет различные искажения  размеров. Далее проводят цементацию, которая заключается в процессе насыщения поверхностного слоя стали  углеродом. Цементация и последующая  термическая обработка одновременно повышают предел выносливости. Поэтому  после цементации проводится окончательная  термическая обработка, которая заключается в высоком отпуске, закалке и низком отпуске.

• Поверхностное упрочнение

Газовая цементация. Этот процесс  осуществляют нагревом изделия в  среде газов, содержащих углерод. Газовая  цементация имеет ряд преимуществ  по сравнению с цементацией в  твердом карбюрезаторе, поэтому  ее широко применяют на заводах, изготавливающих  детали массовыми партиями.

В случае газовой цементации можно получить заданную концентрацию углерода в слое; сокращается длительность процесса, так как отпадает необходимость нагрева ящиков, наполненных малотеплопроводным карбюрезатором; обеспечивается возможность полной механизации и автоматизации процесса и значительно упрощается последующая термическая обработка изделий, так как можно производить закалку непосредственно из цементационной печи.

Наиболее качественный цементированный слой получается при использовании в качестве карбюризатора природного газа, состоящего почти полностью из метана и пропан-бутан смесей, подвергнутых специальной обработке, а также жидких углеродов. Основной реакцией, обеспечивающей науглероживание при газовой цементации, является диссоциация окиси углерода и метана. Процесс ведут при 910-930С, 6-12 часов (толщина слоя 1-1.7 мм).

График режимов термической  обработки: 

Т, С

  1000-     

    750-

    500-

    250-

       0                                                                                                                         

                                                                                                                     , время

При термической обработке металла  могут возникнуть различные дефекты:

Трещины. При закалке трещины  возникают в тех случаях , когда  внутренние растягивающие напряжения первого рода превышают сопротивление  стали отрыву. Трещины образуются при температуре ниже точки Мм, чаще после охлаждения. Склонность к образованию трещин возрастает с увеличением в стали содержания углерода, повышением температуры закалки  и увеличением скорости охлаждения в температурном интервале мартенситного  превращения.

Другой причиной образования трещин является наличие в изделии концентраторов напряжений (резкое изменение сечения изделия или местные вырезки, углубления, выступы).

Трещины – неисправимый дефект. Для  предупреждения их образования рекомендуется  при конструировании изделий  избегать резких выступов, заостренных  уголков, резких переходов от толстых  сечений к тонким и т.д.; проводить закалку с возможно более низких температур; осуществлять медленное охлаждение в мартенситном интервале температур путем закалки в двух средах, ступенчатые закалки или применить изотермическую закалку; отпуск выполнять немедленно после закалки.

Деформации и коробления. Деформация, т.е. изменение размеров и формы изделий происходит при термической обработке в результате термических и структурных напряжений под действием неоднородных объемный изменений, вызванных неравномерным охлаждением и фазовыми превращениями.

Несимметричную деформацию изделий  в практике часто называют короблением. Оно чаще наблюдается при неравномерном  и чрезмерно высоком нагреве  под закалку, неправильном положении  детали при погружении в закалочную среду и высокой скорости охлаждения в мартенситном интервале температур. Устранение этих причин значительно  уменьшает коробление.

Размеры изделий после закалки  даже при отсутствии коробления не совпадают с исходными значениями. Вызываемую этими изменениями деформацию можно уменьшить подбором соответствующего состава стали и условий термической  обработки (в частности, применением ступенчатой и изотермической закалки)

Виды брака при цементации и  способы его устранения.

Существуют различные виды брака:

          1.чрезмерно большая глубина цементованного слоя. Причины этого: завышенное время выдержки при цементации, применение активного карбюризатора, высокая температура цементации, неравномерная температура в печи.при завышенной глубине цементации брак неустраним.

2.    Заниженная глубина цементованного слоя. Причины: недостаточное время выдержки при цементации, применение недостаточно активного карбюризатора, заниженная температура цементации, неравномерная температура в печи, недостаточная подача газа или керосина в случае газовой цементации.

3.    Повышенная концентрация углерода в цементированном слое. Причины: применение активного карбюризатора и завышенное время выдержки при цементации. Меры предупреждения: соблюдение технологического процесса.

4.    Пониженная концентрация углерода в цементированном слое. Причины: применение недостаточно активного карбюризатора.

5.    Неравномерная глубина цементированного слоя. Причины: зажиренная и грязная поверхность изделия, неправильная упаковка цементационных ящиков, отложение сажи при газовой цементации.

6.    Отслаивание закаленного цементированного слоя. Причина: резкий переход от цементированного слоя к сердцевине, наличие цементитной сетки.

7.    Хрупкость (выкрашивание поверхностного цементированного слоя). Причины этого брака: применение активного карбюризатора, завышенное время выдержки.

8.    Стекловидные наплывы на поверхности изделий. Причины: наличие кварцевого песка в карбюризаторе. Меры предупреждения этого брака: не допускать попадания кварцевого песка в карбюризатор.

цементации. Меры предупреждения: соблюдение технологического процесса.