Анализ условий работы детали и предъявляемые к ней требования.

ВВЕДЕНИЕ

    Актуальность темы. Проблема использования морально устаревшего оборудования в термических цехах, и на термических участках, особенно остро стоит последние годы. Главной задачей любого предприятия является своевременное обновление производственного оборудования, которое отвечает современным стандартам, технологиям и экологическим нормам.
    На термическом участке цеха, где производится термообработка плунжеров для насосов, используемых в нефтегазовой промышленности, решено провести замену устаревшего оборудования азотирования на современное, более технологичное.
    Использование современного оборудования , назначение и соблюдение правильного режима термической обработки – все это обеспечивает требуемое для плунжеров высокое качество, позволяя им исправно работать весь период эксплуатации.
    Цель работы–Выбор материала для изготовления плунжера и обеспечение улучшения качества продукции, а также условий труда на участке термической обработки, путем внедрения современного оборудования.
    Объект работы – плунжер трехплунжерного насоса СИН-32 .
    Задачи работы:
 Описать условия работы и выполняемые функции детали «Плунжер»;
 Выбрать материал для изготовления плунжера, подходящий для описанных условий работы и требуемых механических свойств;
 Описать физические, химические и технологические свойства выбранного материала;
 Указать влияние легирующих элементов на свойства материала;
 Сравнить выбранный материал с зарубежными аналогами;
 Выбрать режим термической обработки данной детали, а также определить виды брака после термической обработки и меры его предупреждения и исправления;
 Провести выбор и расчетоборудования;
 Рассчитать время нагрева;
 Провести реконструкцию используемого термического участка и спроектировать планировку, с применением нового оборудования;
 Определить меры по безопасности жизнедеятельности на термическом участке.
    Выполнение поставленных задач, обеспечит требуемое качество обрабатываемой детали, улучшение условий труда, и более рациональное использование производственных площадей.
















 ТЕХНОЛОГИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ
 Анализ условий работы детали и предъявляемые к ней требования

    В качестве базовой детали для выпускной квалификационной работы был выбран плунжер трехплунжерного насоса СИН-32.
    Плунжер - это вытеснитель цилиндрической формы, длина которого намного больше диаметра.  
Общий вид плунжерапредставлен на рисунке 1.1.


   Рисунок 1.1 – Эскиз выбранной детали для ТО. Плунжер

    Плунжерный насос – один из видов объемных гидромашин, в котором вытеснителями являются один или несколько плунжеров, совершающих возвратно-поступательное движение. Эти насосы отличаются высокой производительностью на фоне элементарной эксплуатации.
    Популярными сферами применения плунжерных насосов являются области, связанные с нефтепереработкой и химией.
    Особые эксплуатационные условия обязывают задействовать в изготовлении материалы, обеспечивающую длительную и стабильную работу плунжеру, а также стойкость к износу, герметичность, высокие прочностные характеристики.
    
 Обоснование выбора материала для изготовления плунжера

    Основными параметрами материала для изготовления плунжера, являются прочность, достаточная твердость, износостойкость, сопротивление усталости и коррозионная стойкость. В связи с этим материал должен иметь большой запас прочности и высокий предел выносливости. 
    Для изготовления плунжера возможно использовать 3 марки стали: 40Х, сталь 45 и 38Х2МЮА. Рассмотрим их более подробно.
    40Х –Конструкционная легированная сталь с содержанием углерода 0,4% и с содержанием хрома 0,8-1,1 %.
    Сталь 45 – Конструкционная сталь повышенного качества. Основными компонентами являются углерод (0,45%) и железо (до 97%).
    38Х2МЮА – Сталь жаропрочная релаксационностойкая легированная. Используется в азотируемых деталях: шестерни, валики, пальцы, втулки и т.д, работающие при температурах до 450°С. 
    Азотирование деталей позволяет повысить поверхностную твердость детали и антикоррозионную стойкость работающей поверхности, а также уменьшить брак по трещинам. Учитывая вышеперечисленное, целесообразнее применить для производства плунжера сталь марки 38Х2МЮА. Она отвечает всем необходимым для данной детали требованиям.

    1.3 Описание выбранной стали

    38Х2МЮА – сталь жаропрочная релаксационностойкая легированная, с содержанием углерода 0,38%. Используется для изготовления азотируемых деталей, работающих при температурах до 450°С– валы, шестерни, втулки, пальцы, плунжеры и другие изделия. Сталь 38Х2МЮА теплоустойчива, склонна к обезуглероживанию.
    Рассмотрим некоторые свойства и характеристики данной стали. Химический состав стали 38Х2МЮА представлен в таблице 1.1.
Таблица 1.1 – Химический состав стали 38Х2МЮА(ГОСТ 4543–71)[10]
   Содержание элементов, мас. %
   
C
Si
Mn
Сu
S
P
Cr
Mo
Al
0,35–0,42
0,20–0,45
0,30–0,60
до 0.3
до 0,025
до 0,025
1,35–1,65
0,15–
0,25
0,7–
1,1
    
    Критические точки стали 38Х2МЮА представлены в таблице 1.2.
    
Таблица 1.2 – Температура критических точек стали 38Х2МЮА[10]
Ас1, 0С
Ас3(Асm), 0С
Аr3(Аrсm), 0С
Аr1, 0С
Мн, 0С
800
865
740
665
330

    Механические свойства стали 40Х в зависимости от сечения представлены в таблице 1.4.
    
Таблица 1.3– Механические свойства стали 38Х2МЮАв зависимости от
сечения[9]
Сечение (мм)
?0,2 
(МПа)
?в
(МПа)
? 
(%)
KCU
(кДж/м2)
Закалка 930-950 °С, вода, масло. Отпуск 640-680 °С, воздух
60
880
1030
52
—
100
730
880
45
59
200
590
780
45
59

Из таблицы 1.3 видно, что с увеличением сечения, наиболее сильно уменьшается предел текучести.

    Механические свойства стали 38Х2МЮАв зависимости от температуры отпуска представлены в таблице 1.4.


Таблица 1.4– Механические свойства стали 38Х2МЮАв зависимости от
температуры отпуска[9]
Температура отпуска
 (°С)
?0,2 
(МПа)
?в
(МПа)
? 
(%)
? 
(%)
KCU 
(кДж/м2)
300
1660
1810
8
43
39
400
1520
1670
10
39
10
500
1270
1420
10
44
29
600
1080
1180
12
60
78

    Обозначения:
    ?В – Временное сопротивление, [МПа]
    ?0,2 – Предел текучести, [МПа]
    ? – относительное удлинение при разрыве, [%]
    ? – относительное сужение, [%]
    KCU – ударная вязкость, [Дж/см2]

    Технологические свойства стали 38Х2МЮА представлены в таблице 1.5.

Таблица 1.5 – Технологические свойства стали 38Х2МЮА
Свариваемость
Не применяется для сварных конструкций
Флокеночувствительность
Чувствительна
Склонность к отпускной хрупкости
Не склонна
    
    Свариваемость – это реакция свариваемых металлов и сплавов на процесс сварки.Она определяет технологическую сторону процесса и эксплуатационную пригодность изделия. На свариваемость стали большое внимание оказывает ее химический состав. При высоком содержании углерода (более 0,25%) свариваемость стали резко ухудшается, так как в нагретой околошовной зоне - термического влияния, образуются структуры закалки, приводящие к возникновению горячих и холодных трещин.
    Важной характеристикой стали является  флокеночувствительность. Флокены – дефекты внутренней структуры прокатной продукции и стальных слитков, представляющие собой трещины и полости, резко снижающие механические свойства стали. Основной причиной образования флокенов является присутствие в стали повышенного количества водорода. Флокены могут быть во всех сталях, но наиболее часто они встречаются в сталях, содержащих хром. Сталь 38Х2МЮА склонна к образованию флокенов.
    Склонность к обратимой отпускной хрупкости сталей, проявляется в снижении ударной вязкости при медленном охлаждении после высокого отпуска, или при длительных выдержках в интервале температур 450-600?С. Сталь 38Х2МЮА не склонна к отпускной хрупкости.
    Для обеспечения необходимых физических, химических, прочностных и технологических свойств стали подвергают легированию, вводя в их состав различные легирующие элементы. Так же в сталях содержатся постоянные примеси. Рассмотрим влияние легирующих элементов и примесей на сталь 38Х2МЮА.
      Влияние хрома
    Хром – металл, наиболее часто применяемый для легирования.Основное назначение легирования стали 38Х2МЮА хромом – увеличение прокаливаемости.Прокаливаемость – это глубина проникновения закаленной зоны. За глубину прокаливаемости принимают расстояние от поверхности закаленного изделия до слоя со структурой, состоящей из 50% мартенсита и 50% троостита.Диаграммапрокаливаемости стали 38Х2МЮАпредставлена на рисунке 1.2.
    

    
    Рисунок 1.2 – Полоса прокаливаемости стали 40Х
    
    Легирование стали хромом увеличиваетпрокаливаемость, за счет повышения устойчивость переохлажденного аустенита к распаду, и понижает точку начала мартенситного превращения.
    Также легирование хромом повышаеттвердость и прочность стали, незначительно снижая её пластичность, повышает механические свойства стали при статической и ударной нагрузке, повышает устойчивость к истиранию и увеличиваетстойкость к коррозии.Весь полученный при легировании хромом комплекс свойств, обеспечивает надежную работу детали при тяжёлых условиях эксплуатации.
     Влияние молибдена
    Молибден устраняет отпускную хрупкость, которая может возникнуть при медленном охлаждении от температуры азотирования. Также повышает антикоррозионные свойства и сопротивление окислению при высоких температурах.
     Влияние алюминия
    Основные достоинства алюминия – это легкость, податливость штамповке, коррозионная стойкость (на воздухе алюминий мгновенно покрывается прочной плёнкой Al2O3, которая препятствует его дальнейшему окислению), высокая теплопроводность, неядовитость его соединений.
     Легирующие элементы существенно влияют на глубину азотированного слояhи поверхностную твердость.
    Влияние легирующих элементов на глубину азотированного слоя h и поверхностную твердость представлено на рисунке 1.3.
    
    Рисунок 1.3 – Влияние легирующих элементов на глубину азотированного слоя hи поверхностную твердость
    
    Уменьшение глубины азотированного слоя при легировании обусловлено уменьшением коэффициента диффузии азота в феррите. Углерод уменьшает также коэффициент диффузии азота.
    Помимо легирующих элементов в стали присутствуют постоянные примеси.Рассмотрим их влияние.
      Влияние фосфора
    Железные руды, а также топливо и флюсы содержат какое-то количество фосфора, которое в процессе производства чугуна попадает в расплав и остается в нем,переходя затем в сталь. 
    Фосфор является вредной примесью. Он имеет высокую растворимость в феррите и аустените: при высокой температуре она достигает 1,2 %. Поэтому фосфор в стали целиком находится в твердом растворе, и его влияние на свойства сказывается через изменения свойств феррита и аустенита.
    Растворяясь в феррите, фосфор повышает прочность стали, а с увеличением его содержания наблюдается снижение пластичности и ударной вязкости. Оказывается влияние и на склонность стали к хладноломкости:увеличение содержания фосфора в пределах сотых долей процента может вызывать повышение порога хладноломкости на несколько десятков градусов (~20…250С на 0,01 % Р), благодаря сильному уменьшению работы распространения трещины. Вредное влияние фосфора также заключается в его сильной тенденции сегрегировать на границах зерен, что приводит к отпускной хрупкости легированных сталей[11].
      Влияние серы
    Сера, как и фосфор, является вредной примесью и попадает в металл при выплавке. При комнатной температуре растворимость серы в феррите практически отсутствует. Поэтому вся сера в стали связана в сульфиды железа и частично в сульфиды легирующих элементов. С повышением температуры сера растворяется в феррите и аустените, хотя и незначительно, но до вполне определенных концентраций (0,02 % в феррите при 913°С и 0,05 % в аустените при 1365°С). Поэтому сернистые включения могут видоизменяться при термической обработке стали.
    Если сера связана в сульфид железа FeS, при относительно низких температурах горячей деформации стали, вследствие расплавления эвтектики сульфида железа (988°С), наблюдается красноломкость стали. При более высоких температурах горячей пластической деформации,возможнагорячеломкость стали.
    Увеличение содержания серы в стали мало влияет на прочностные свойства, но существенно изменяет вязкость стали и ее анизотропию в направлениях поперек и вдоль прокатки. Так, ударная вязкость на образцах, вырезанных поперек направления прокатки, уменьшается с увеличением содержания серы. А в продольном направлении с увеличением содержания серы наблюдается тенденция к повышению ударной вязкости. Это явление связано с усилением полосчатостиферрито-перлитной структуры вследствие вытянутости сульфидов в строчки вдоль прокатки.
    •	 Влияние марганца и кремния
    Марганец и кремний упрочняют феррит, резко снижают его вязкость. Кремний замедляет процесс отпуска мартенсита и является полезным легирующим элементом для сталей, подвергающихся изотермической закалке. Стали, содержащие кремний, после изотермической закалки имеют высокую вязкость и пониженную чувствительность к надрезу.
    
     1.4 Сравнение выбранной стали с зарубежными аналогами

    Сталь 38Х2МЮА имеет аналоги в Японии, Германии, США, Англии и т.д.Химический состав этих сталей приведен в таблице 1.6.

Таблица 1.6– Химический состав рассматриваемых сталей
Марка
стали
Содержание элементов, мас %




С
Si
Mn
Ni
S
P
Cr
Mo
Al
Cu
V
38Х2МЮА
(Россия)
0,35-
0,42
0,2-
0,45
0,3-
0,6
До
0,3
До
0,025
До
0,025
1,35-
1,65
0,15-
0,25
0,7-
1,1
До
0,3
—
K24728
(США)
0,45-
0,5
0,15-
0,3
0,6-
0,9
0,4-
0,7
0,01
0,01
0,9-
1,2
0,9-.
1,1
—
—
0,08-
0,15
SACM645
(Япония)
0,4-
0,5
0,15-
0,5
0,6
  —
0,03
0,03
1,3-
1,7
0,15-
0,3
0,7-
1,2
—
—
905M39
(Англия)
0,35-
0,43
0,1-
0,35
0,4-
0,65
  —
0,025
0,025
1,4-
1,8
0,15-
0,25
0,9-
1,3
—
—
41CrAlMo7
(Германия)
0,38-
0,45
0,4
0,4-
0,7
  —
0,035
0,025
1,5-
1,8
0,2-
0,35
0,8-
1,2
—
—

    Как видно из таблицы, зарубежные аналоги стали 38Х2МЮА более чисты по примесям (сера, фосфор,никель, медь), что положительно сказывается на механических свойствах, но увеличивает стоимость производства и конечную стоимость самой стали.

     1.5 Технологический процесс термической обработки

    Сталь 38Х2МЮА – среднеуглеродистая легированная. Наилучшее сочетание прочности и пластичности, что обеспечивает хорошую работу материала при динамических нагрузках, сталь приобретает после обработки, состоящей из закалки и последующего высокотемпературного отпуска. Такой вид термической обработки называется улучшением и обеспечивает структуру сорбита, которая является носителем оптимальных эксплуатационных свойств.
    Термическая обработка стали производится по схеме, представленной на рисунке 1.3.
    
Т,°С
    
    
    
    
    
    

    Время
    
    Рисунок 1.4– Режим термической обработки стали 38Х2МЮА
    
    Температура и продолжительность закалки: доэвтектойдные стали нагревают под закалку до температуры на 30..50 °С выше температуры АС3. Для данной стали температура нагрева под закалку составляет 920..940 °С. Исходная структура стали феррит + перлит при нагреве стали до температуры закалки (выше А3) и выдержки при этой температуры превращается в аустенит. Последующее охлаждение изделия осуществляют со скоростью выше верхней критической скорости закалки.Продолжительность выдержки при температуре аустенизации должна обеспечить прогрев детали по сечению и завершение фазовых превращений, но не более. Иначе будет происходить нежелательный рост зерна, что в последующем приведет к охрупчиванию материала.
    Последующее охлаждение изделия осуществляют со скоростью выше верхней критической скорости закалки. Рассмотрим диаграмму изотермического распада аустенита стали 40Х, приведенную на рисунке 1.5 [7].
    Рисунок 1.5 – Диаграмма изотермического распада переохлажденного аустенита стали 38Х2МЮА
   
    Как видно из диаграммы, минимальная устойчивость переохлажденного аустенита наблюдается при температуре 350?.
    
    
    Из диаграммы определим верхнюю критическую скорость закалки:
   
V_ВКЗ=(А_1-t_min)/1.5?=(890-350)/(1,5?27)=20°C/с
   
    Для стали 38Х2МЮА, в качестве охлаждающей среды при закалке, целесообразно применять минеральное масло, для уменьшения термических напряжений в детали, предотвращения ее коробления . Закалка в масло имеет преимущество перед закалкой в воду, так как уменьшается вероятность появления закалочных трещин.
    Образование в результате закалки мартенсита приведет к большим остаточным напряжениям, повышению твердости, прочности, однако резко возрастает склонность материала к хрупкому разрушению, особенно при динамических нагрузках. В связи с этим проводится окончательная операция термической обработки – высокотемпературный отпуск, при котором снимаются остаточные напряжения и обеспечиваются необходимые механические свойства материала [8].
    Отпуск – нагрев закаленной стали в интервал температур, лежащих ниже точки А1. В данном случае проводится отпуск от температуры660?.  Такая температура соответствует высокому отпуску. В конечном итоге, получается структура сорбит отпуска, представленная на рисунке 1.6.
    
    
    
    Рисунок 1.6 – Структура сорбита отпуска стали 38Х2МЮА
    
    После отпуска заготовки проходят механическую обработку, которая заканчивается шлифовкой. После этой процедуры детали достигают нужных размеров.
    Далее, на те части изделий, которые не должны попасть под действие насыщения азотом, наносят слой жидкого стекла.
    Для получения требуемых свойств, проводим химико-термическую обработку – азотирование.Азотирование — один из наиболее распространенных методов обработки, использование которого в промышленно развитых странах постоянно расширяется. Как показывает практика, применение азотирования особенно эффективно для разнообразных сопряжений, где основной причиной разрушения поверхностей является трение.Азотирование стали заключается в том, что металл подвергают нагреву в среде, характеризующейся высоким содержанием аммиака. В результате такой обработки с поверхностным слоем металла, насыщающимся азотом, происходят следующие изменения: улучшается износостойкость детали, возрастает усталостная прочность изделия, поверхность изделия становится устойчивой к коррозии.
    Микроструктура азотированного слоя стали 38Х2МЮА представлена на рисунке 1.7.
    
    
    
    
    
    
    
    
    
    
    
    Рисунок 1.7 –Микроструктура качественно азотированного слоя стали марки 38Х2МЮА
    
    Режим азотирования – температура от 500?С до 510?С, время азотирования от 35 до 50 ч.
    В промежутках проведения этапов термической обработки, заготовки проходят обязательную мойку, после погружения в закалочный бак с маслом. Эта операция проводится с целью обеспечения чистоты поверхности заготовки от масляной пленки, так как она нежелательным образом сказывается на качестве термообработки и условиях работы в цеху.

    Для определения качества термической обработки используют контроль:
    - контроль внешнего вида;  
    - контроль твердости термически обработанной детали;
    - контроль микроструктуры.       
    
    
    Качество азотированного слоя контролируют методами металлографического, химического, рентгеноструктурного, магнитного и других методов анализа. В производственных условиях качество азотирования определяют на образцах-свидетелях и непосредственно на деталях. Контролируют толщину слоя, поверхностную твердость, коробление, размеры и качество поверхности (шелушение, трещины т. д.). Образцы-свидетели изготавливают из той же стали, подвергают аналогичной термической обработке, что и азотируемые детали.
 Металлографический анализ
     Для выявления структуры азотированного слоя конструкционных сталей обычно применяют 4 %-ный раствор азотной кислоты в этиловом спирте.Общую толщину азотированного слоя определяют на травленном шлифе под микроскопом при увеличении 100 крат, толщину карбонитридной зоны при увеличении 300-500. За общую толщину азотированного слоя принимают весь слой, обнаруживаемый под микроскопом в виде темной полосы с заметным переходом к сердцевине. Возможные выявления структуры методом избирательного окисления структурных составляющих при нагреве. Поперечные микрошлифы нагревают в атмосфере воздуха до 260 °С. В процессе окисления нитриды окрашиваются в светло-желтый цвет, а эвтектоид в коричнево-фиолетовый.
 Дюрометрический анализ
    Твердость азотированной поверхности измеряют по Виккерсу с нагрузкой 50 H при толщине слоя ? 0,1 мм, при меньшей толщине диффузионного слоя твердость измеряется на микротвердомере с нагрузкой 1 Н. Измерение твердости проводить на предварительно защищенной поверхности, зачистку проводить до полного удаления черного цвета и появления металлического блеска. Твердость нитридного слоя определяют по ГОСТ 9450-76, ГОСТ 2999-75, ГОСТ 20495-75. Распределение твёрдости по толщине слоя и определение его эффективной толщины проводят на поперечных отполированных микрошлифах на микротвердомере типа ПМТ-3 с нагрузкой 0,5 или 1 Н в соответствии с ГОСТ 2999-75 или по Виккерсу с нагрузкой 50 Н на косом шлифе.
 Растровый электронно-микроскопический анализ
    Большие возможности имеет электронно-микроскопическое исследование микроструктуры с помощью РЭМ. Съемки производят с поверхности микрошлифов без дополнительной подготовки при увеличении до 5000 (10000). Применение стереоскопического анализа позволяет получить объемное представление о структурных составляющих азотированного слоя. В частности, на стереоскане четко выявляется пористость нитридной зоны и переходная зона на границе нитрид – зона внутреннего азотирования.

  Анализ возможного брака и способы его устранения

    В результате нарушения технологии проведения термической обработки детали, возможно возникновение различных дефектов. Ниже рассмотрены виды возможного брака и способы их предупреждения[6].
 Деформация и коробление
    В процессе насыщения стали азотом происходит изменение размеров и возможно коробление деталей. Чем выше температура, сложнее деталь и больше толщина слоя, тем  больше деформация. Деформация и коробление азотированных деталей связаны с уровнем термических напряжений, природой структурных и фазовых превращений при азотировании, возникающих в детали. Нарушение технологического режима термических операций, неудовлетворительная или неправильная защита не насыщаемых поверхностей детали от азотирования могут увеличить абсолютное значение деформации. 
    Уменьшению коробления способствуют снижение температуры насыщения, проведение предварительной термической обработки на минимальный уровень остаточных напряжений. Для уменьшения деформаций рекомендуется получать минимальные диффузионные слои для заданной конструктивной прочности, избегать образования ?-фазы и нитридной сетки по границам зерен в зоне внутреннего азотирования.
 Хрупкость и шелушение насыщенного слоя
    Этот вид дефектов азотированной поверхности отличается большим разнообразием по конфигурации, строению, размерам и вызывается пересыщением поверхностного слоя азотом. Причиной пересыщения диффузионного слоя азотом является высокая концентрация нитридообразующих элементов в стали, что сопровождается охрупчиванием слоя, шелушением и появлением трещин. Микроструктура азотированного слоя, склонного к шелушению при шлифовании, характеризуется наличием развитой нитридной сетки по границам аустенитных зерен. Применение двухступенчатого цикла азотирования уменьшает хрупкость. Хрупкая поверхностная зона может быть удалена шлифованием на глубину 10-50 мкм без снижения твердости. 
    Для уменьшения шелушения должны соблюдаться оптимальные условия шлифования: поперечная и продольная подачи должны иметь параметры, исключающие прижог. Засаливание кругов недопустимо.
 Пониженная и пятнистая твердость слоя
    Пониженная поверхностная твердость азотированного слоя обусловливается обычно следующими причинами: нарушение технологии процесса азотирования, несоблюдением технологии предварительной термической обработки (повышение температуры нагрева под закалку приводит к получению крупнозернистой исходной структуры, а отсутствие защитной атмосферы вызывает обезуглероживание поверхности). 
    Пятнистая твердость в пределах одной детали вызвана наличием на упрочняемой поверхности следов олова или жидкого стекла (при частичном азотировании); плохим обезжириванием деталей и разнозернистостью структуры стали. Зачистка границ нанесения защитного покрытия и фосфатирование после лужения предупреждают появление пятнистости по твердости, так как в процессе азотирования олово удерживается силами поверхностного натяжения на фосфатированной поверхности.
 Пониженная толщина слоя
    Понижение температуры процесса, повышение степени диссоциации аммиака и сокращение выдержки являются причиной получения неглубокого диффузионного слоя. Неравномерная толщина слоя может быть связана также с неправильным выбором режимов механической обработки деталей перед азотированием. Исправление брака по пониженной толщине слоя достигается повторным азотированием. Для стали З8Х2МЮА выдержка при повторном азотировании назначается из расчета 0,1 мм за 10 ч.
    Самым важным условием предотвращения возможности образования брака, является строгое соблюдение температурных режимов термической обработки и четкое следование указаниям технологической карты.













  ОПИСАНИЕ И РАСЧЕТ ОБОРУДОВАНИЯ

     2.1 Выбор и описание основного оборудования
     
    Основное оборудование – это оборудование, которое применяется для выполнения операций нагрева и охлаждения изделий. К нему относятся печи, закалочные баки и иные нагревательные и закалочные устройства. Большое значение имеет правильный выбор основного оборудования, обеспечивающий удобство и качество выполняемых операций[5].
    Для закалки деталей необходимы высокотемпературные печи. Так как одним из требований к деталям является отсутствие обезуглероживания, выбираем высокотемпературные печи с защитной атмосферой:  СШЗ – 8.12/10. Общий вид печи изображен на рисунке 2.1.


Рисунок 2.1–Общий вид печи СШЗ – 8.12/10
    
    Шахтная электропечь представляет собой футерованную шахту-цилиндр с футерованным дном (подом),закрывающуюся сверху футерованной крышкой, установленной на подъёмно-отдвижном механизме с электрическим приводом. Над проёмом печи крышка опускается вертикально.
    По внутреннему периметру теплоизоляции, на специальных уступах имеются электронагреватели. Электронагреватели изготовлены из ленты высокотемпературного сплава Суперфехраль.
    Основные технические характеристики печи СШЗ приведены в
таблице 2.1.
    
Таблица 2.1– Технические характеристики печи СШЗ – 8.12/10
Наименование
Ед. изм.
Величина
Размеры рабочего пространства (?хВ)
мм
800х1200
Максимальная температура
°С
1000
Номинальная мощность
кВт
100
Единовременная загрузка
Кг
900

    Для операции отпуска была выбрана отпускная печь СШО – 8.12/7. Общий вид печи изображен на рисунке 2.2.
    
    
    
    
    
    
    
    
    
    
    
    
    
    
    
    
    
    
    
    
    
    
    
    
    
    Рисунок 2.2– Общий вид печи СШО – 8.12/7
    
    Каркас корпуса электропечи представляет собой цилиндр, изготовленный из стальных профилей. Каркас обшит навесными защитными панелями из листовой стали, толщиной S=1.5 мм.Футеровка электропечи выполнена: для боковых стен и крышки – из легковесных теплоизоляционных материалов; для пода – из материалов, обеспечивающих механическую прочность, достаточную для долговременного удержания садки при рабочих температурах. Состав теплоизоляции и ее технические параметры обеспечивают минимальные теплопотери при непрерывной эксплуатации электропечи.
    Для защиты нагревательных элементов и легковесной футеровки электропечи от механических повреждений, при загрузке/выгрузке корзин с обрабатываемыми деталями, в рабочем пространстве установлена специальная клеть защитная из жаростойких стальных профилей.
    Составляющей частью электропечи служит шкаф управления, расположенный около электропечи, в котором расположены все регулирующие, управляющие и силовые элементы. Регулирование температуры в электропечи осуществляется посредством терморегулятора, который контролирует температуру внутри рабочей зоны при помощи термопары. Терморегулятор осуществляет регулирование температуры в соответствии с технологической программой.
    Основные технические характеристики печи СШО приведены в таблице 2.2.
Таблица 2.2– Технические характеристики печи СШО – 8.12/7
Наименование
Ед. изм.
Величина
Размеры рабочего пространства (?хВ)
мм
800х1200
Максимальная температура
°С
700
Номинальная мощность
кВт
50
Единовременная загрузка
Кг
600
    
    На термическом участке, в качестве емкости для охлаждения при закалке и отпуске, используется масляный закалочный бак производства ЗАО «Накал», модели БЗМ – 12.9.8. Общий вид бака изображен на рисунке 2.5.



Рисунок 2.3 – Общий вид закалочного масляного бака БЗМ – 12.9.8

    Конструкция бака представляет собой герметично сваренную емкость из листовой и профильной стали марки Ст3, заполненную минеральным маслом.Внутри бака расположенысистемынагрева, охлаждения и перемешивания закалочной среды.Нагрев осуществляется трубчатыми электронагревателями (ТЭН) обеспечивающими нагрев масла до требуемой температуры. В данном случае, рабочая температура масла составляет 40 °С.Охлаждение закалочной среды производиться пластинчатым теплообменником, путем пропускания через него холодной проточной воды, а перемешивание осуществляется циркуляционным насосом.В системах охлаждения и перемешивания закалочной среды предусмотрена запорная арматура, необходимая для обеспечения гибкого регулирования процессов при различных массах обрабатываемых изделий. Использование этих систем обеспечивает требуемую однородность температуры по всему объёму масла, а также равномерное охлаждение загружаемыхдеталей. В нижней части бака на случай замены масла, или его аварийного слива предусмотрен сливной кран.
    В таблице 2.3 приведены основные характеристики данного закалочного бака.

Таблица 2.3– Технические характеристики закалочного масляного бака 
БЗМ – 12.9.8
Наименование
Ед. изм.
Величина
Внешние габариты (ДхШхВ)
мм
1400х1080х900
Габариты рабочей зоны (ДхШхВ)
°С
1200х900х800
Объем
м3
0,86
Максимальная масса садки
Кг
200
Мощность
кВт
12
Напряжение
Вольт
220

    Для измерения температуры закалочной среды используется термопреобразователь сопротивления, установленный в специальное гнездо в корпусе бака. Контроль температуры закалочной среды осуществляется по прибору с цифровой индикацией температуры, установленному на щите управления[14]. Щит управления собран в отдельном металлическом корпусе и предназначен для управления системой нагрева, а также насосами систем охлаждения и перемешивания закалочной жидкости.
При не использующемся закалочном баке, его проём закрывается защитной крышкой.
    Азотирование осуществляется в шахтных электрических печах серии США. Печи для азотирования выполняются двух типов, периодические и полунепрерывные. Полунепрерывные печи в отличие отпериодических, имеют два сменных муфеля с герметически закрытыми крышками. После окончания процесса азотирования муфель с деталями вытаскивается из печи и переносится в охладительный колодец, а на его место ставят другой подготовленный для азотирования муфель с деталями.
    Печь для азотирования полунепрерывного действия США-8.l2/6 приведена на рисунке 2.4.
     
     

    
    
    
    
    
    
    
    
    
    
    Рисунок 2.4 – Общий вид печи США – 8.12/6
    
    
    В огнеупорном слое используется шамот легковесный . Шамот является прекрасным диэлектриком, что позволяет вестимонтаж нагревательных элементов прямо на стенку футеровки, значительно снижая трудоемкость монтажа и замены нагревателей. В теплоизоляционном слое используются волокнистые материалы из муллитокремнезема.
    Для выравнивания температуры и состава атмосферы в рабочем пространстве на крышке электропечи предусмотрен вентилятор, охлаждаемый водой (для визуального контроля протока воды в системе водоохлаждения установлена воронка сливная, для автоматического контроля - реле протока). Подача газа и регулирование давления в контейнере осуществляется через газопровод, а регулируется направление потока газа при помощи экрана. Управление режимом работы электропечи производится автоматически с помощью термопреобразователя и прибора регистрирующего, установленного в шкафу управления.Газовое азотирование обладает целым рядом недостатков. В первую очередь – чрезвычайно большая энергоемкость и продолжительность процесса. Модифицированный слой, полученный таким способом, имеет достаточно большую глубину. Ввиду неизбежной формоизменяемости деталей после азотирования, часть этого слоя приходится удалять, что ведет к повышению себестоимости азотируемых изделий. Также, нужно отметить экологическую опасность использования аммиака. Следующим недостатком является повышенная пожаро- и взрывоопасность. Поиск возможностей устранения указанных выше недостатков привел к разработке принципиально нового метода – безводородного азотирования в тлеющем разряде.
    Применение безводородных газовых сред позволяет скорректировать качественные и количественные параметры отдельных стадий режима азотирования. Данное обстоятельство оказывает влияние на структуру и кинетику формирования модифицированного поверхностного слоя. Это связано в значительной степени с лучшими условиями энергопередачи при бомбардировке поверхности, в том числе и на стадии катодной очистки поверхности.БАТР-процесс исключает водородноеохрупчивание, повышает пластические свойства поверхности с минимальным разупрочнением основы, снижает расход энергии, улучшает условия труда до идеальных и является абсолютно экологически чистым.
    Проведенный анализ позволяет выбрать наиболее современное оборудования для проектируемого цеха, которое представлено на рисунке 2.5 шахтная установка БАТР-1.6.12/6.
     
     
     
     
     
     
     
     
     







Рисунок 2.5 –Установка безводородного азотирования в тлеющем разряде модели БАТР-1-6.12/6

    Новая шахтная установка азотирования в тлеющем разряде в безводородных газовых средах является эффективной альтернативой традиционным электропечам газового и каталитического азотирования, в которых в качестве рабочего газа применяется аммиак.Применяемая разреженная газовая среда –  азот или азот-аргоновая смесь. Основные преимущества применяемых безводородных газовых сред:
    - исключение из производства аммиака, который является отравляющим веществом;
    - устранение водородного охрупчивания при использовании безводородного азотирования;
    - улучшение пластических свойств модифицированной поверхности металлоизделия;
    - увеличение износостойкости азотированных деталей;
    - повышение экономичности и энергосбережения процесса азотирования;
    - стабильность процесса азотирования и полная автоматизация процесса;
    - идеальные санитарно- ги.......................