Термическая обработка коленчатых валов

Задача № 1

Коленчатые валы двигателей внутреннего сгорания работают в условиях динамических нагрузок. Выбрать марку стали для изготовления коленчатых валов автомобильных двигателей и режим термической обработки, обеспечивающий оптимальное сочетание механических свойств. Назначить режим местной термической обработки для повышения износостойкости шеек валов. Указать структуру и примерную твёрдость в различных частях готового изделия.

Решение:

Являясь конструктивно и технологически сложной деталью, коленчатый вал считается одной из самых ответственных деталей двигателя. Всё это обуславливает высокие требования к точности изготовления коленчатых валов: точность диаметральных размеров коренных и шатунных шеек IT6 (реже IT5); допуски формы коренных и шатунных шеек не более 0,3 мм от допуска на диаметр этих шеек; отклонения от соосности расположения коренных шеек не более 0,02 мм, от параллельности осей коренных и шатунных шеек не более 0,015 мм на длине шейки; угол разворота колен в пределах ±30'; биение коренных шеек относительно оси центровых отверстий в пределах 0,01−0,03 мм; шероховатость поверхности коренных и шатунных шеек Ra= 0,08−0,32 мкм; дисбаланс коленчатых валов в пределах 15−40 г-мм; твердость коренных и шатунных шеек HRCэ =58−62 при глубине 3−5 мм.

Коленчатые валы в зависимости от напряжённости изготавливают из углеродистых сталей 45, 45А, 40Х, 45Г2, 50 Г и др. Для дизельных более нагруженных двигателей применяют легированные стали 18ХНМА, 40ХНМА, 42ХМФА, 18Х2Н4ВА и др. Хромоникелевольфрамовая сталь 18Х2Н4ВА отличается особенно высокой прочностью (твердость НВ = 321−381) и ударной вязкостью. Поверхностную твёрдость и износостойкость углеродистых сталей повышают термической обработкой с нагревом токами высокой частоты (ТВЧ). Твердость и усталостную прочность поверхностного слоя валов из высоколегированных сталей 40ХМА, 18Х2Н4ВА обеспечивают азотированием. Так, заготовку для двигателя КАМАЗ получают из горяче-катаной труднообрабатываемой стали 42ХМФА, легированной ванадием.

В качестве материала для коленчатых валов применяют и высокопроч-ный чугун с шаровидной формой графита. Он содержит 0,2−0,25% Сr, 1,15−1,4% Мn, не более 0,002−0,14% S, а также незначительное количество церия и других легирующих элементов. Механические свойства такого чугуна близки к свойствам высококремнистой стали. Материал имеет высокие эксплуатационные качества и хорошо обрабатывается режущим инструментом. Применяют также и серые чугуны, модифицированные сплавом ферроцерия с магнием.

Термическая обработка шеек валов обычно заключается в закалке и низком отпуске до твердости HRCэ= 55−58. В условиях крупносерийного и массового типов производства закалку ведут с нагревом ТВЧ. Заготовки устанавливают вертикально шейками в индукторы 1 (рис. 1, а), нагрев ТВЧ продолжается определенное время, а затем из этих же индукторов подается вода и происходит закалка поверхностного слоя. Длительностью охлаждения регулируют температуру отпуска и соответственно твердость закаливаемой поверхности.

Если переходные поверхности валов — галтели — подвергают поверхностным пластическим деформациям, то в процессе термической обработки их защищают керамическими полукольцами (рис. 1, б) или обмазывают специальным составом, а затем (после термической обработки) обкатывают роликами.

Для повышения общей усталостной прочности и износостойкости поверхностей шеек коленчатых валов применяют азотирование. Для этого вал устанавливают на выдвижную платформу электрической тоннельной печи,.

Рис. 1. Схема термической обработки с нагревом ТВЧ (а)и защитные керамические полукольца (б) (qнаправление теплового потока при отпуске).

укладывают коренными шейками на графитовые подшипники, сообщают ему медленное вращение для исключения появления деформации в процессе азотирования. Азотирование проходит в печи при температуре 520−530 °С, его выполняют перед последней отделочной операцией. Твёрдость поверхности на глубине 0,3−0,4 мм достигает HV= 1000 и выше.

Задача № 2

Выбрать экономичный материал для литых деталей автомобилей (блоков цилиндров, картеров, тормозных барабанов) и подъёмно-транспортных машин (корпусов редукторов, блоков, барабанов), не испытывающих при работе больших нагрузок (в 200−250 Мпа). Указать пути повышения механических свойств сплавов этой группы.

Решение Экономически оправданным при изготовлении литых деталей автомобилей (блоков цилиндров, картеров, тормозных барабанов) и подъёмно-транспортных машин (корпусов редукторов, блоков, барабанов), не испытывающих при работе больших механических и температурных нагрузок, является выбор серого чугуна. Серый чугун — это дешёвый и наиболее широко применяемый в машиностроении вид чугуна. Условию задачи (в 200−250 Мпа) соответствует серый чугун марки СЧ 20 (в? 200 Мпа).

Примерный химический состав чугуна: 3,2−3,6% С; 1,7−3,0% Si; не бо-лее 0,5% Mn; не более 0,5% Р; не более 0,12% S. Микроструктура: феррит+перлит+графит.

Вследствие высокого содержания углерода и, особенно, кремния в чугунах небольшой прочности и обычного качества (СЧ00, СЧ10, СЧ15 и СЧ20) содержится незначительное количество связанного углерода. Графит имеет невыгодную для механических свойств форму выделений: крупные длинные пластины (рис. 2), сильно ослабляющие прочность металлической основы чугуна. С увеличением толщины отливок увеличивается размер графитовых пластинок, уменьшается обособленность графита, что в еще большей степени снижает механические свойства чугуна.

Отливки из чугуна СЧ20 термической обработке не подвергают. Улучшить структуру и свойства такого чугуна путем термической обработки не удаётся. Наоборот, после закалки и отпуска отливок с грубыми выделениями графита может возрасти хрупкость чугуна вследствие появления микротрещин по границам графитовых включений.

Рис. 2. Структура СЧ 20 под микроскопом.

Небольшое изменение механических свойств чугуна после закалки и отпуска объясняется малым содержанием связанного углерода. Отливки из указанных чугунов подвергают только отпуску для снятия напряжений.

Задача № 3

Выбрать сплав для деталей автомобильных радиаторов, изготавливаемых методами холодной пластической деформации. Обосновать выбор, учитывая технологические, механические и физические свойства. Отметить влияние технологии изготовления на механические свойства деталей.

Решение Для деталей автомобильных радиаторов, изготавливаемых методами холодной пластической деформации (бачки, трубки и патрубки) более всего подходит латунь Л63. Это двухфазная ±латунь с содержанием меди 62−65% (остальное — цинк), в = 330 Мпа, = 50%, прочность НВ = 550. Данная латунь хорошо обрабатывается давлением (деформируемая латунь).

Отрицательным свойством деформируемых латуней, содержащих более 20% Zn, является склонность к растрескиванию при вылёживании во влажной атмосфере, содержащей следы аммиака. «Сезонное растрескивание» обусловлено коррозией по границам зёрен в местах неравномерной концентрации примесей. Для снижения этого эффекта после деформации ±латунь подвергается отжигу при температурах ниже температуры рекристаллизации (обычно около 250 С).

Задача № 4

Выбрать материал для изготовления бачков главных цилиндров тормоза и сцепления. Указать классификационную группу материала, привести его структурную формулу, химические и физико-механические свойства.

Решение сталь вал термический чугун Материалом для изготовления бачков главных цилиндров тормоза и сцепления служит полиэтилен низкого давления (ПЭНД), относящийся к группе полиолефинов. Это полимер этилена с преобладающим строением повторяющегося составного звена, он имеет линейную структуру макро-молекул[ -CH2-CH2 — ]n и является продуктом полимеризации этилена. Свойства полиэтилена зависят от условий полимеризации. Это полиэтилен высокой (0,946 — 0,970 г/см3) плотности, получаемый полимеризацией при низком давлении (ГОСТ 16 338−85Е). Он имеет степень кристалличности до 75−95%. Чем выше плотность и степень кристалличности полиэтилена, тем выше его прочность, модуль упругости и теплостойкость. Разрушающее напряжение при растяжении — 18−35 Мпа.

Полиэтилен имеет высокие диэлектрические свойства, практически не поглощает влагу. Он химически стоек к действию кислот, щелочей, растворителей и других агрессивных веществ, нетоксичен, легко сваривается, технологичен (поддаётся экструзии, литью, напылению, заливке и т. д.), стоит недорого и сочетает высокую прочность с пластичностью. Недостатком полиэтилена является склонность к старению под действием ультрафиолетовых лучей.

Из полиэтилена изготавливают крышки подшипников, уплотнительные прокладки, детали вентиляторов и насосов, гайки, шайбы, полые изделия вместимостью до 200 литров, тару для хранения агрессивных жидкостей и многое другое.

МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ (технология конструкционных материалов): Учебно-методический комплекс / сост. Е. В. Шадричев, А. В. Сивенков, Т. П. Горшкова — СПб.: Изд-во СЗТУ, 2008. — 309 с.

Солнцев Ю.П., Пряхин Е. И. Материаловедение: Учебник для вузов. Изд. 4-е, перераб. и доп. — СПб.: ХИМИЗДАТ, 2007. — 784 с.: ил.

Автомобильные материалы: Справочник. — 3-е изд., перераб. и доп. / Г. В. Мотовилин, М. А. Масино, О. М. Суворов. — М.: Транспорт, 1989. — 464 с.: табл., библиогр.

Гуляев А. П. Металловедение. Учебник для вузов. 6-е изд., перераб. и доп. М.: Металлургия, 1986. — 544 с.

Материаловедение для автомехаников. Учебное пособие / Ю. Т. Чумаченко, Г. В. Чумаченко, А. В. Герасименко. — РнД.: Феникс, 2003. — 480 с.