Реферат Разработайте технологический процесс изготовления вала длиной 200 мм, диаметром 80 мм, работаю
Работа добавлена на сайт bukvasha.net: 2015-10-28Поможем написать учебную работу
Если у вас возникли сложности с курсовой, контрольной, дипломной, рефератом, отчетом по практике, научно-исследовательской и любой другой работой - мы готовы помочь.
от 25%
договор
Министерство образования Российской Федерации
Российский государственный профессионально- педагогический университет
Кафедра материаловедения, технологии контроля в машиностроении и методики профессионального обучения
КОНТРОЛЬНАЯ РАБОТА
По дисциплине
«Технология конструкционных материалов и материаловедение»
Вариант 9
Выполнил
Студент группы
Проверил
Екатеринбург 2010
Вариант 9.
Разработайте технологический процесс изготовления вала длиной
Содержание
1. Введение. Выбор стали для вала работающего на кручение. Свойства стали. 3
2. Подготовка руд к доменной плавке (дробление, обогащение, агломерация,
окатывание). 4
3. Выплавка чугуна. 5
3.1. Физико-технические химические процессы. 5
3.2. Устройство доменной печи. Продукты получения. 6
4. Производство стали. 7
4.1. Процесс работы электродуговой печи. 7
4.2. Непрерывная разливка стали 9
5. Получение заготовки вала. 10
5.1. Ковка. 10
5.2. Протяжка. 11
5.3. Термическая обработка. 11
Список литературы. 14
1. Введение. Выбор стали для вала работающего на кручение. Свойства стали.
Для самых разнообразных деталей во всех отраслях машиностроения применяют качественные конструкционные материалы. Качественные конструкционные материалы данного вида по ГОСТ 1050-60 отличаются от продукции обыкновенного качества более высокими механическими свойствами, меньшим содержанием вредных примесей и потому идут на изготовление наиболее ответственных деталей и узлов различных машин и механизмов. На заводы они поставляются после термической обработки: в Вжженном виде или после проведения нормализации. Эти стали, в нормализованном состоянии, по сравнению с низкоуглеродистыми сталями имеют более высокую прочность при более низкой пластичности. Стали, в отожжённом состоянии, достаточно хорошо обрабатываются резанием.
Для работы в указанных условиях наиболее подходит материал – сталь 45.
Применение стали 45 в основном характерно для изготовления таких видов металлопроката как полоса, квадрат, круг, шестигранник.
Свойства стали соответствуют предъявляемым для данного изделия.
Химический состав, термическая обработка и механические свойства стали 45.
Химический состав в % стали 45.
C | Si | Mn | Ni | S | P | Cr | Cu | As |
0.42-0.5 | 0.17-0.37 | 0.5-0.8 | до 0.25 | до 0.04 | до 0.035 | до 0.25 | до 0.25 | до 0.08 |
Температура критических точек стали 45.
Критическая точка оС
Ac1=730, Ac3(Acm)=755, Ar3(Arcm)=690, Ar1=780, Mn=350
Механические свойства стали45
Сечение, мм | δ0,2, Мпа | Предел прочности, δВ, Мпа | Относительное удлинение, δ, % | Относительное сужение, ψ, % | ударная вязкость, KCU, Дж/м2 |
<100 | 440 | 690 | 13 | 40 | 49 |
Обрабатываемость резанием в горячекатаном состоянии при НВ 170-179 | δВ= 640 Мпа, Кυ В. спл.=1, Кυ б.ст.=1 |
Термическая обработка
термообработка | tзак, оС | среда |
Закалка | 850 | масло |
Отпуск | 550 | воздух |
2. Подготовка руд к доменной плавке (дробление, обогащение, агломерация,
окатывание)
Железная руда – это природное минеральное сырье. Кроме железа в руде содержатся Al 2O3, SiC2 (это пустая порода) и вредные примеси: мышьяк, фосфор более 1%.
Доменные флюсы нужны для удаления из печи тугоплавкой пустой породы, руды и золы топлива. Доменным флюсом служит известняк
СаС03 → СаО + С02
Топливо в доменной печи является не только источником тепла, но и восстановителем железа из его оксидов. Кокс – это кусковое топливо, получаемое путем окисления коксящихся углей. Используют природный газ СН4 – метан, мазут, угольную пыль.
Исходные материалы: железные руды, флюс (СаСО3), топливо (кокс, мазут), огнеупорные материалы.
Руду необходимо подготовить к доменной плавке, для этого применяют 4 этапа:
Дробление: руду измельчают, и куски сортируют по крупности: в кусках одинаковой величины восстановление железа происходит за одно и то же время. Дробление необходимо для того, чтобы получить нужную степень измельчения, руды для плавки (10-
Оптимальные размеры кусков руды и кокса от 4 до 8—10 см. Мелкую руду предварительно спекают (агломерируют) путём нагревания до высокой температуры. При этом из руды удаляется большая часть серы.
Обогощение. Основной способ обогащения– магнитный. Он состоит в том, что тонкоизмельченную руду помещают в магнитное поле, где магнитные частицы отделяются от пустой породы.
Агломерация – это окускование мелкого железного сырья путем спекания (puc.1).
Рис.1. Схема процесса спекания:
1- колосниковая решетка; 2-постель; 3-слой агломерирующей шихты; 4-зона спекания; 5-слой агломерата
На решетку загружают слой агломерата – постель, чтобы не было просыпания мелкой шихта через зазоры. Затем засыпают агломерируемой шихты: железосодержащие компоненты (аглоруда) – 70%; флюсы (измельченный известняк) – 20%; топливо (мелкий кокс, угольная мелочь и пиль) – 5-7%; марганцевая руда 1%.
Агломерируемую шихту увлажняют (4-6%) и тщательно перемешивают во вращающихся барабанах, при этом шихта окомковывается, что повышает ее газопроницаемость. После зажигания газовыми горелками топлива начинается его горение (рис.2). Воздух для горения просасывается через слой шихты с помощью вакуумных устройств, остаточное давление 6-10 Мпа.
Зона горения постепенно перемещается вниз до постели колосников. При температуре 1300-1600 °С происходит спекание шихты в пористый продукт – агломерат. После сортировки на грохоте куски крупностью 10-
Окатывание. Шихта из измельченных концентратов, флюса, топлива увлажняется и при обработке во вращающихся барабанах, тарельчатых чашах, приобретает форму шариков – окатышей диаметром до 30 им. Окатыши высушивают и обжигают (1200-1350°С) на обжиговых машинах. Использование агломерата и окатышей исключает отдельную подачу флюса-известняка в доменную печь при плавке, т.к. флюс в необходимом количестве входит в их состав.
3. Выплавка чугуна
Чугун выплавляют в печах шахтного типа – доменных печах.
Сущность процесса – восстановление оксидов железа, входящих в состав руды, оксидом углерода, водородом и твердым углеродом.
Доменная печь имеет до
3.1. Физико-технические и химические процессы.
В районе воздушных фурм происходит полное сгорание кокса и природного газа:
C + O2= + Q
CH4 + +2O2=CO2 + 2H2 + Q.
В фокусе горения температура 1800-2000°С. Продукты сгорания взаимодействуют с раскаленным коксом:
CО2 + C = 2CО-Q;
H2 О(пар) + С(кокс) =Н2+СО – Q .
Образуется смесь восстановительных газов, в которых СО – главный восстановитель железа из его оксидов. За счет СО и H2 восстанавливаются все высшие оксиды железа до низшего и 40-6О% металлического железа.
В основе производства чугуна лежит процесс восстановления железа из его окислов окисью углерода.
Восстановление железа из окиси железа происходит постепенно. Сначала окись железа восстанавливается до закиси-окиси железа:
3Fe2O3 +CO= 2Fe3O4 +CO2
Далее закись-окись железа восстанавливается в закись железа:
Fe3O4+CO=3FeO+CO2
и, наконец, из закиси железа восстанавливается железо:
FeO+CO=Fe+CO2
Скорость этих реакций растёт с повышением температуры, с увеличением в руде содержания железа и с уменьшением размеров кусков руды. Поэтому процесс ведут при высоких температурах.
Прямое восстановление происходит твердым углеродом при температуре
950-1000° в зоне распара печи:
FeO+ Cтв=Fe + CO-Q.
Для выплавки 1 т чугуна расходуется 1,8 т офлюсованного агломерата,
3.2. Устройство доменной печи. Продукты получения.
Печь загружают шихтовыми материалами по мере необходимости, непрерывно подают воздушное литье и удаляют доменные газы, периодически выпуская чугун и шлак.
Шихтовый материал загружает при помощи засыпного аппарата, шихту задают отдельными порциями по мере опускания протравляемых материалов. Навстречу им снизу вверх движется поток горячих газов, образующихся при сгорании топлива.
Рис.2. Схема доменной печи
1-колошник, 2-газоотвод, 3-шахта, 4- распар, 5-шлаковая летка, 6-заплечики, 7-фурмы,
8- горн, 9- чугунная летка
В доменной печи железо восстанавливается почти полностью. Потери со шлаком – 0,2-1%. Образование металлического железа начинается при 400-500°С (в верхней части шахты печи) и заканчивается при 1300-1400°С (в распаре,).
В шахте печи наряду с восстановлением железа происходит его науглероживание по реакции
Зfе + 2СО=Fe3 С + CO2+ Q,
и образуется сплав железа с углеродом.
С повышением содержания углерода (1,8–2%) температура плавления понижается до 1200-150 °С. Стекая каплями в горн, расплав смывает куски раскаленного кокса и дополнительно науглероживается.
При отекании сплава в горн в нем растворяются восстановленные Мn, Si, образуя сложный железоуглеродистый сплав – чугун (3,7-4% С).
Значение шлака очень велико, его состав и свойства определяют конечный состав чугуна. В районе распара образуется первичный шлак. При стенании вниз и накоплении в горне шлак существенно изменяет состав: в нем растворяются SiO2, Al2 O3.
4. Производство стали
Для производства высококачественных легированных сталей используют два основных способа: кислый мартеновский процесс и выплавка в электродуговых печах.
В мартеновских печах при выплавке легированных сталей, когда в ванну вводят значительное количество ферросплавов, охлаждается металл. Из-за трудности нагрева металлической ванны количество одновременно присаживаемых ферросплавов ограничивают 3% массы металла. Поэтому высоколегированные стали, за редким исключением, в мартеновских печах не выплавляют. Кроме этих недостатков, данный процесс обладает другими: экологические, опасность разрушения при охлаждении печи. В настоящее время, по ряду определенных причин, от данного способа получения стали отказываются.
4.1. Процесс работы электродуговой печи.
Плавильные электропечи имеют преимущества по сравнению с другими плавильными агрегатами, так как в них можно получать высокую температуру металла, создавать окислительную, восстановительную, нейтральную атмосферу и вакуум, что позволяет выплавлять сталь любого состава, раскислять металл с образованием минимального количества неметаллических включений – продуктов раскисления. Поэтому электропечи используют для выплавки конструкционных, высоколегированных, инструментальных, специальных сталей и сплавов.
Нам необходимо получить высококачественную сталь 45, где «45» – среднее содержание углерода в сотых долях процента. Такую сталь целесообразнее получить в электродуговых печах (рис.3)
Сущностью любого металлургического передела чугуна в сталь является снижение содержания углерода и примесей путем их избирательного окисления и перевода в шлак и газы в процессе плавки.
Исходные материалы: передельный чугун и стальной лом (скрап), железная руда, окалина (источник О2), флюс-известняк – в основных печах, кварцевый песок – в кислых, топливо (электрический ток).
Печь питается трехфазный переменный током и имеет три цилиндрических электрода из графитизированной массы. Между электродами и металлической шихтой под действием тока возникает электрическая дуга, электроэнергия превращается в теплоту, которая передается металлу и шлаку излучением.
Рабочее напряжение 160-600 В, сила тока 1-1О кА. Во время работы печи длина дуги регулируется автоматически, путем перемещения электродов. Стальной кожух печи футерован огнеупорным кирпичом.
Печь загружают при снятом своде. Печь может наклоняться в сторону загрузочного окна и летки.
Рис.3. Схема электродуговой печи
1-подина печи, 2-желоб для выпуска плавки, 3-шихта, 4-корпус печи, 5-съёмный свод, 6-ролики, 7-гибкий кабель, 8-электродержатели, 9-электроды, 10- окно с заслонкой
Производят плавку на углеродистой шихте. В печь загружают стальной лом – 90%, чушковый передельный чугун – до 10%, электродный бой, кокс, известь – 2-3%.
Опускают электроды и включают ток. При плавлении металл накапливается на поддоне печи. Во время плавления шихте кислородом воздуха, оксидами шихты и окалины окисляется железо, кремний, фосфор и частично углерод. Оксид кальция из извести и оксиды железа образуют основной железистый юлах, способствующий удалению фосфора из металла.
После нагрева металла и шлака до температуры 1500-1540
Затем загружают известь, плавиковый шпат и шамотный бой. После расплавления флюсов и образования высокоосновного шлака на его поверхность вводят раскислительную смесь, углерод кокса и кремний ферросилиция, восстанавливают оксид железа в шлаке, содержание его в шлаке ниже, и кислород из металла переходит в шлак. По мере раскисления и понижения содержания FеО шлак становится белым. Раскисление под белым шлаком длится 30-60 мин.
Для определения химического состава металла берут пробы, затем в печь вводят легирующие элементы в виде ферросплавов для получения заданного химического состава металла. Порядок ввода определяется сродством легирующих элементов к кислороду. Конечное раскисление выполняют алюминием и силинокальцием и выпускают металл из печи в ковш, из которого его разливают в изложницы.
При использовании дуговых печей большой вместимости выплавка высококачественной конструкционной стали выполняется с использованием специальных технологий: вакуумирование стали, внепечная обработка синтетическим известково-глиноземистым шлаком, продувка аргоном и т.д.
Высококачественные стали разливают в слитки массой 500 кг– 7 тонн. Для высококачественных сталей используют разливку сифоном в изложницы.
В изложницах сталь затвердевает и получаются слитки, которые подвергают дальнейшей обработке. Поверхность слитка получается чистой.
4.2. Непрерывная разливка стали ( вертикальная).
Сталью заполняются одновременно несколько изложниц: сталь плавно, без разбрызгивания заполняет изложницы (меньше раковин и пустот, плен оксидов от брызг металла, затвердевающих на стенках изложницы).
Наиболее совершенный способ разливки стали (изобретенный в СССР) — непрерывная разливка, заключающаяся в том, что жидкий металл из ковша 1, через промежуточный ковш 2 непрерывно поступает в кристаллизаторы 3, охлаждаемые водой. Далее затвердевающий металл формируется прокаткой между валками 5 и потом разрезается на куски резаком 6. Куски стали, кантователями, укладываются на элеваторы.
Этот способ разливки стали имеет следующие достоинства:
1) при получении заготовок небольшого сечения исключается необходимость применения дорогостоящих обжимных станов (блюмингов);
2) исключается необходимость в изложницах, поддонах и т. Д.;
3) отсутствуют прибыльные части слитков, что позволит съэкономить до 20% металла.
Таким образом, слитки из сталеплавильных цехов при применении непрерывной разливки стали могут направляться в горячем состоянии непосредственно в прокатку, что обусловливает значительную экономическую эффективность такого непрерывного цикла производства стали.
Рис.4. Схема установки непрерывной разливки стали (вертикальная)
1 – сталеразливочный ковш, 2 – промежуточный ковш, 3-водоохлаждаемый кристаллизатор, 4-зона вторичного охлаждения, 5-тянущие валки,
6- ацителено-кислородный резак
5. Получение заготовки вала.
5.1. Ковка.
Ковка – вид горячей обработки металлов давлением, при котором металл деформируется с помощью универсального инструмента. Полученные заготовки называют поковками.
Поковки – это изделия, близкие по форме и размерам готовой детали, что резко повышает выход годного металла, так как позволяет полностью исключить или сократить потерю металла в виде стружки при операции резания.
Ковка улучшает свойства и качество металла. Волокнистое строение металла, образующееся в направлении пластического течения, при ковке может быть упорядочено так, чтобы неоднородность прочностных и пластических свойств поковок вдоль и поперек волокна не сказывалась на работоспособности конечных изделий.
Для изготовления поковок применяют заготовки простейших форм: круглого, квадратного, прямоугольного и многоугольного поперечного сечения.
Металл свободно течет в стороны, не ограниченные рабочими поверхностями инструмента, в качестве которого применяют плоские или фигурные (вырезные) бойки, а также различный подкладной инструмент.
1 2
Рис.5 1-бойки, 2- процесс ковки
Температура ковки стали 45: начала 1250, конца 700.
Процесс ковки состоит из чередования в определенной последовательности основных и вспомогательных операций. Каждая операция определяется характером деформирования и применяемым инструментом.
Горячую деформацию применяют для обработки труднодеформируемых, малопластичных материалов и для изготовления крупных деталей. Каждый металл должен быть нагрет до вполне определенной температуры, чтобы не получить пережог и перегрев.
Нагревательные печи применяют для нагревания металла перед обработкой давлением. В печах теплота к заготовке передается главным образом конвекцией и излучением из окружающего пространства нагревательной камеры, выложенной огнеупорным материалом. Теплоту получают в основном сжиганием газообразного, реже жидкого, топлива (мазут).
Наиболее распространенным типом печей является камерная печь (рис.6), в которой заготовки 2 укладывают на под 1 печи через окно 4 и после прогрева до заданной температуры извлекают через то же окно. Рабочее пространство печи нагревают сжиганием газа с помощью горелок 3, служащих для смешения газа с воздухом и подачи смеси в печь. Продукты сгорания отводят через дымоход 5 в рекуператор – теплообменник, в котором поступающий к горелкам воздух нагревается теплотой горячих уходящих газов. Подогрев воздуха до температуры 350 – 500 0С позволяет экономить до 25% топлива. Для нагрева крупных заготовок применяют камерные печи с выдвижным подом и специальные посадочные машины.
Рис.5 Камерная нагревательная печь
1-под печи, 2-заготовка, 3-горелки, 4-окно для загрузки и выгрузки заготовок, 5- дымоход
5.2 Протяжка.
Протяжка – операция удлинения заготовки или ее части за счет уменьшения площади поперечного сечения. Протяжку производят последовательными ударами или нажатиями на отдельные участки заготовки, примыкающие один к другому, с подачей заготовки вдоль оси протяжки и поворотами ее на 900 вокруг этой оси. При каждом нажатии уменьшается высота сечения, увеличивается ширина и длина заготовки.
Рис. 6 Протяжка с круга на круг в вырезных бойках.
При протяжке круглого сечения используется вид протяжки с круга на круг
(рис. 6) в вырезных бойках. Силы, направленные к осевой линии заготовки, способствуют более равномерному течению металла и устранению возможности образования осевых трещин.
5.3.Термическая обработка
Для устранения физической и химической неоднородности (сорбит, троостит, бейнит или мартенсит) и, как следствие, высокой твердости, созданных предыдущей обработкой, используют отжиг. В процессе отжига происходит уменьшение дендритной или внутрикристаллитной ликвации, которая повышает склонность стали, обрабатываемой давлением, к хрупкому разрушению, к анизотропии свойств и возникновению таких дефектов, как шиферность (слоистый излом) и флокены (тонкие внутренние трещины, наблюдаемые в изломе в виде белых овальных пятен). Нагрев при отжиге 1100 – 1200 0С, так как только в этом случае более полно протекают диффузионные процессы, необходимые для выравнивания состава стали.
Общая продолжительность отжига (нагрев, выдержка и медленное охлаждение) больших садок металла достигает 5 – 100 ч. И более. В зависимости от состава стали и массы садки продолжительность выдержки составляет 8 – 20 ч.
Для удаления поверхностных дефектов слитки после отжига иногда подвергают нагреву при 670 – 680 0С в течение 1 – 16 ч., что снижает твердость.
Данная сталь подлежит дальнейшей закалке и высокому отпуску. Закалка применяется для повышения прочности, твердости, получения достаточно высокой пластичности и вязкости, а для ряда деталей – высокой износостойкости.
Закалка – термическая обработка, заключающаяся в нагревании стали до температуры растворения избыточных фаз, выдержке и последующем охлаждении.
Продолжительность нагрева заготовки должна обеспечить прогрев изделия по сечению и завершение фазовых превращений, но не должна быть слишком большой, чтобы не вызвать роста зерна и обезуглероживания поверхностных слоев стали.
Выбирают продолжительность нагрева в электропечи 90 с. При нагреве в электрической печи взаимодействие печной атмосферы с поверхностью нагреваемого изделия приводит к окислению и обезуглероживанию стали.
Окисление создает невозвратимые потери металла. Окисление происходит в результате взаимодействия стали с кислородом 2Fе+О2 → 2FеО, парами воды
Fе + H2 O → FeO+H2 и двуокисью углерода Fе + CO2 → FеО + СО.
Для предохранения изделий от окисления и обезуглероживания в рабочее пространство печи вводят защитную газовую среду:
1) эндотермическую;
2) эиоэтермическую (богатую, бедную);
3) диссоциированный аммиак;
4) технический азот.
Выбирают экзотермическую (богатую среду), которая используется при нагреве для отжига конструкционных сталей.
Охлаждение обеспечивает получение структуры мартенсита в пределах заданного сечения изделия. Для закалки используют минеральное масло. Масло имеет небольшую скорость охлаждения в мартенситном интервале температур, что уменьшает возникновение закалочных дефектов и постоянство закаливающей способности в широком интервале температур среды (20-150°С).
Температуру масла при закалке поддерживают в пределах 60-90 °С, когда его вязкость оказывается минимальной.
При закалке в этих средах различают три периода:
1) пленочное кипение – в этот период происходит небыстрый отвод теплоты, т.е. скорость охлаждения невелика;
2) пузырьковое кипение – быстрый отвод теплоты;
3) конвективный теплообмен – теплоотвод в этот период происходит с наименьшей скоростью.
После закалки проводят отпуск – нагрев закаленной стали с последующим охлаждением с определенной скоростью. Это окончательная операция термической обработки, в результате которой сталь получает требуемые механические свойства.
Кроме того, отпуск полностью или частично устраняет внутреннее напряжение, возникающее при закалке. Для нашей заготовки применяется высокий отпуск 500-680°С. Он повышает пределы прочности и текучести, относительное сужение и ударную вязкость. Значительно повышается конструктивная прочность стали, уменьшая чувствительность к концентраторам напряжений, увеличивая работу пластической деформации при движении трещины и снижая температуру верхнего и нижнего порога хладноломкости.
Отпуск при 550–600°С в течение 1–2 ч. Почти полностью снимает остаточные напряжения, возникающие при закалке. Охлаждение после отпуска проводят в масле, что способствует образованию на поверхности сжимающих остаточных напряжений, которые увеличивают предел выносливости, а также позволяет избежать явления отпускной хрупкости.
В результате всех проведенных мероприятий возможно получение валов диаметром
Список литературы
1. Технология металлов и материаловедение: Учебник для машиностроительных
специальных вузов/ Кнорозов Б.В., Усова Л.Ф. и др.- М.: Металлургия, 1987
2. Технология конструкционных материалов: Учебник для машиностроительных
специальных вузов/ Дальский А.М., Арутюнова И.А. и др.- 2-е изд., перераб. и доп.-М.:
Машиностроение, 1985
3. Лахтин Ю.М., Леонтьева В.П. Материаловедение: Учебник для машиностроительных
вузов – 2-е изд., перераб. и доп. – М.: Машиностоение, 1980
4. Суворов И.К. Обработка металлов давлением: Учебник для вузов.-3-е изд.-
М.: Высшая школа,1980
5. Марочник сталей и сплавов/ под редакцией Сорокин В.Г.- М.: Машиностроение, 1989