X Международная студенческая научная конференция Студенческий научный форум - 2018

Цель:

Произвести оптимальные режимы термической обработки при изготовлении поршневого пальца двигателя.

Задачи:

Определить свойства материала поршневого пальца двигателя

Определить химический состав материала;

Разработать технологический процесс термической обработки

Требования при изготовлении изделия:

высокая жесткость, которая обеспечивает минимальную деформацию при работе;

высокая сопротивляемость циклическим ударным нагрузкам;

достаточная механическая прочность,

высокая износостойкость рабочей поверхности.

Объект исследования:

Поршневой палец (рис.1) – стержень, служащий для шарнирного соединения поршня с шатуном. При работе на поршневой палец действуют высокие механические нагрузки, которые при передачи давления расширяющихся газов с поршня на шатун и коленчатый вал меняются по величине и направлению. Следует обратить внимание, что поршневой палец может изнашиваться в сопряжениях палец – втулка верхней головки шатуна и палец – бобышка поршня.

Выполнение требований при изготовлении данного изделия может быть обеспечено благодаря получению твердого износоустойчивого верхнего слоя металла пальца в сочетании с вязкой и достаточно прочной сердцевиной, которая способна работать в условиях ударных нагрузок.

Необходимыми вышеперечисленными характеристиками обладает сталь 45.

Рис.1. Поршневой палец двигателя

Основные характеристики стали 45

Сталь 45 является доэвтектоидной углеродистой сталью, по качеству – эта сталь качественная, а по назначению – конструкционная.

Постоянными примесями в сталях считаются марганец, кремнии, фосфор, сера. Присутствие этих примесей объясняется трудностью удаления некоторых из них при выплавке (Р,S), переходом в сталь в процессе раскисления (Mn, Si).

Марганец и кремний это положительными примесями, которые вводятся в сталь для раскисления. Также положительное влияние марганца проявляется в устранении вредного влияния серы, резко уменьшая красноломкость, иначе говоря хрупкость при высоких температурах. Марганец и кремний растворяются в феррите и повышают его твердость и прочность, но пластичность при этом снижается.

Сера и фосфор являются отрицательными примесями в силу того, что сера снижает пластичность и вязкость, а также служит причиной красноломкости при прокатке и ковке. Фосфор же, растворяясь в феррите, повышает его прочность и твердость, но одновременно с этим сильно снижает пластичность, отчего сталь становится хрупкой при обычных температурах (хладноломкость).

Микроструктура стали 45 в исходном состоянии представляет собой феррито-перлитовую основу (рис.2).

Рис.2. Схема микроструктуры стали 45 в исходном состоянии

Определение химического состава стали 45

Химический состав стали 45 представлен в таблице 1.

С	Si	Mn	Cr			Cu	Ni	As
0.42-0.50	0.17-0.37	0.50-0.80	не более 0,25	не более 0,04	не более 0,035	не более 0,25	не более 0,25	не более 0,08

Таблица 1

Химический состав стали 45

Сталь 45, согласно ГОСТ, в горячекатаном состоянии имеет:

твердость не более НВ 229,

предел текучести _0,2=355 - 370 МПа,

предел прочности _в = 600 - 620 МПа,

относительное удлинение δ = 16 %,

относительное сужение ψ = 40%,

ударную вязкость KCU = 0,42 - 0,47 МДж/м²

В случае поставки стали в отожженном или высокоотпущенном состоянии соответственно

твердость НВ 197,

предел прочности _в = 540 - 580 МПа,

относительное удлинение δ =13 %,

относительное сужение ψ= 40%,

ударную вязкость KCU=0,47-0,52 МДж/м²

Температура критических точек для стали 45 указана в таблице 2.

Таблица 2

Температура критических точек, °С

Ac1	Ac3	Ar3	Ar1	Mn
730	755	750	690	350

Термическая обработка

Исходя из требований, которые необходимо соблюсти, необходимо выполнить следующие режимы термической обработки:

Объемная закалка – служит для повышения твердости и прочности изделия.

Высокий отпуск – для получения необходимой прочности, высокой ударной вязкостии предела выносливости поршневого пальца по всему сечению.

Поверхностная закалка, которая служит для повышения твердости, износостойкости и предела выносливости поверхностного слоя изделия.

Низкий отпуск, позволяющий снизить напряжения, немного увеличить прочность и улучшить вязкость без заметного снижения твердости и износостойкости.

Для повышения прочностных и иных характеристик поршневого пальца вместо улучшения (закалки и высокого отпуска) можно было провести более простую операцию нормализации. Но для более высоких значений временного сопротивления, предела текучести и ударной вязкости остановимся на первом варианте.

Для наглядности сравним:

При нормализации:

предел прочности _В= 700 - 730 МПа,

ударная вязкость KCU=0,76-0,80 МДж/м²

Соответственно, после улучшения:

предел прочности _В = 800 - 850 МПа,

ударная вязкость KCU =1,1-1,3 МДж/м²

Испытания по механическим свойствам проводились на кафедре «Механика» Самарского государственного технического университета.

Тогда, последовательность режимов обработки поршневого пальца при его изготовлении из прутка будет следующая:

механическая обработка,

улучшение (закалка + высокий отпуск),

механическая обработка,

поверхностная закалка с нагревом ТВЧ,

низкий отпуск,

окончательная механическая обработка.

Закалка

Температуру нагрева под закалку будет соответствовать на 30-50°С выше критической температуры Аз (рис.3, рис.4). По справочнику данная температура составляет 820 - 850 °С.

Рис.3. Схема закалки стали 45 (доэвтектоидной стали)

Рис.4. Диаграмма изотермического превращения аустенита

После выдержки, которая обеспечивает завершение фазовых превращений по сечению, заготовку поршневого пальца нужно охладить, получив структуру мартенсита в пределах заданного сечения детали для определенной прокаливаемости. Для этого нужно выбирать охлаждающую среду, обеспечивающую охлаждение со скоростью выше критической, т.е. Vз > Vкр (рис.4). Для стали 45 такой охлаждающей средой будет вода. В результате закалки сталь будет иметь мартенситную структуру, характеризующуюся высокой твердостью, прочностью, но низкой пластичностью (рис. 4): А  М.

 

М

 

Рис.5. Схема микроструктуры стали 45 после закалки

Высокий отпуск

Отпуск проводится при температуре 550-650°С, при этом охлаждение будет осуществляться на воздухе. При отпуске снижается твердость, снимаются внутренние напряжения, которые возникают при закалке, а пластичность и ударная вязкость возрастают.

_в = 800 - 850 МПа,

_0,2= 450 - 550 МПа,

δ =13-15%,

ψ= 35 -40%,

KCU -1,1-1,3 МДж/м²,

НВ 250 - 265.

Таким образом, достигается оптимальное сочетание прочности, пластичности, вязкости. Структура стали будет представлять сорбит отпуска (рис.6).

 

Сотп

 

Рис.6. Схема микроструктуры стали 45 после улучшения

В результате улучшения получается: высокую прочность, пластичность, ударную вязкость. Для получения высокой твердости поверхностного слоя пальца в сочетании с вязкой сердцевиной проводится поверхностную закалку.

Поверхностная закалка

При поверхностной закалке производится нагрев поверхностного слоя пальца с помощью ТВЧ выше критической температуры Асз. Далее происходит резкое охлаждение в воду.

Микроструктура поверхностного слоя, нагретого выше Асз, представляет мартенсит. Микроструктура слоя, нагретого выше Ас1, но ниже Асз, состоит из мартенсита и феррита. Глубинные слои, нагретые ниже Ac1, не закалятся, поэтому будет иметь исходную микроструктуру сорбита отпуска (рис.7).

Рис. 7. Схема микроструктуры после поверхностной закалки

Таким образом, поверхностный слой поршневого пальца закаливается на заданную глубину 1,2 - 1,4 мм, обеспечивая повышение твердости, износостойкости и предела выносливости. Сердцевина остается вязкой и воспринимает ударные нагрузки.

Низкий отпуск

Низкий отпуск проводим при температуре 140 - 160 °С. Охлаждение осуществляется на воздухе. В результате отпуска внутренние напряжения снижаются, и несколько уменьшается хрупкость мартенсита при сохранении высокой твердости и износостойкости поверхностного слоя пальца. В закаленном слое мартенсит закалки переходит в мартенсит отпуска: ММотп.

Твердость поверхностного слоя пальца HRC 54 - 56. В сердцевине поршневого пальца микроструктура не изменяется, а остается прежней, поэтому ее твердость будет иметь значения НВ 250 - 265. Возможно появление также переходной зоны, состоящей из мартенсита отпуска и феррита (М_Отп + Ф) (рис.8).

Рис. 8. Схема микроструктуры после окончательной термообработки

Рис.9. График режимов термической обработки поршневого пальца из стали 45

Исследования по термической обработки проводились на кафедре «Материаловедение и товарная экспертиза» Самарского государственного технического университета. Таким образом, в работе определены оптимальные режимы термической обработки при изготовлении поршневого пальца двигателя.

Список литературы:

Материаловедение и технология металлов: Учеб. для студентов машиностроит. спец. вузов/Г.П. Фетисов, М.Г. Карпан, В.М. Матюнин и др.; Под ред. Г.П.Фетисова.- М.:Всш.шк.,2008.-638с.,ил.

Металловедение и технология металлов / Под ред. Ю.П.Солнцева. -М.: Металлургия, 1988.-512 с.

Термическая обработка в машиностроении: Справочник/Под ред. Ю.М.Лахтина, А.Г. Рахштадта.- М.: Машиностроение, 1980.- 783 с.

Код для цитирования: Скопировать