Обоснование и анализ режимов термической обработки колец подшипников для работы в коррозионных средах

МИНОБРНАУКИ РОССИИ

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение
высшего образования

«САМАРСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ»
(ФГБОУ ВО «СамГТУ»)

Факультет машиностроения, металлургии и транспорта

Кафедра «Металловедение, порошковая металлургия, наноматериалы»



ДОПУСТИТЬ К ЗАЩИТЕ

Заведующий кафедрой
«Металловедение, порошковая металлургия,

наноматериалы», д.ф.-м.н., профессор

______________________ А.П. АМОСОВ
(подпись)

«____» _______________ 2018 год


ВЫПУСКНАЯ КВАЛИФИКАЦИОННАЯ РАБОТА БАКАЛАВРА

Студента ________Тарасова Михаила Сергеевича__ __________________4-ФММТ-1ф______

(фамилия, имя, отчество)	(курс, факультет, группа)

на тему:«Обоснование и анализ режимов термической обработки колец подшипников для работы в коррозионных средах»

(полное название темы квалификационной работы, в соответствии с приказом об утверждении тематики ВКР)

Пояснительная записка
СамГТУ22.03.02.039.02.01


Нормоконтролер



доцент, к.т.н. Кондратьева Л.А.

(подпись)

(дата)

(должность, особстепень, звание, ФИО)
Научный кромеруководитель



к.т.н. Якубович Е.А.

(подпись)

(дата)

(должность, никойстепень, звание, ФИО)
Консультант



доцент, к.т.н. Бабордина О.А.

(подпись)

(дата)

(должность, осакстепень, звание, ФИО)
Консультант



доцент, к.т.н. Гевлич Л.А.

(подпись)

(дата)

(должность, мести степень, звание, ФИО)
Студент



Тарасов М.С.

(подпись)

(дата)

(ФИО)







Самара 2018 г.

РЕФЕРАТ

Дипломный проект

Пояснительная записка 98 страниц , 19 рисунков, 18таблиц, библ.список –17 наименований

.

     КОЛЬЦА ПОДШИПНИКОВ, ПОДШИПНИКОВАЯ СТАЛЬ, ТЕРМИЧЕСКАЯ ОБРАБОТКА, ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ ПРОЦЕСС, КОНТРОЛЬ КАЧЕСТВА ТЕРМООБРАБОТКИ


     В дипломном проекте выполнен анализ режимов термической обработки колец подшипников для работы в коррозионных средах . Обоснован выбор марки стали 95Х18 для изготовления колец подшипников шириной 13 мм. Спроектирован технологический процесс термообработки, включающий предварительный нагрев

(подогрев) при температуре 850±10оС, закалку в потоке газообразного азота до температуры 150оС с температуры нагрева 1050±10оС и два высоких отпуск с температуры нагрева 475оС – 500оС

     На основе сопоставления с базовым вариантом термообработки на предприятии ОАО «ЕПК Самара» осуществлен выбор основного оборудования для реализации спроектированного процесса термообработке в виде камерной вакуумной электропечи СНВ – 5.10.5/11 ,максимальная рабочая температура 1100оC, а также необходимого вспомогательного и дополнительного оборудования. Предусмотрены методы контроля режима термообработки, контроля твердости и микроструктуры колец подшипников.

Приведено описание строительной части и план проектируемого участка цеха

с размещением выбранного основного и вспомогательного оборудования для обеспечения годового выпуска колец подшипников 600 тонн.

В экономической части  проекта выполнены организационно-экономические

расчеты и определение экономического обоснования эффективности спроектированного участка, которая составила 1987032 руб.


2

В соответствии с заданием выполнены разработки по охране окружающей

среды и безопасности жизнедеятельности на проектируемом участке термообработки колец подшипников.

     Срок окупаемости проекта составляет около 2 лет, что ниже нормативных показателей для машиностроения.




























































3



СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ ................................................................................................................
7
1 УСЛОВИЯ ЭКСПЛУАТАЦИИ И ХАРАКТЕРИСТИКА КОЛЕЦ

ПОДШИПНИКОВ РАБОТАЮЩИХ В КОРРОЗИОННЫХ СРЕДАХ .......................
10
1.1
Классификация подшипников ......................................................................
10
1.2
Характеристика детали и условия ее работы ..............................................
10
1.3
Технические условия на термическую обработку ......................................
11
2 ТЕХНОЛОГИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ ..........................................................................
12
2.1
Характеристика и обоснование выбора материала для изготовления

детали...............................................................................................................................

12
2.1.1
Характеристика стали ШХ15 .................................................................
12
2.1.2
Характеристика стали ШХ15СГ ............................................................
13
2.1.3
Характеристика стали 95Х18-Ш ............................................................
14
2.1.4
Характеристика стали 11Х18М-ШД ......................................................
16
2.2
Влияние углерода, легирующих элементов и примесей на свойства

выбранной стали .............................................................................................................
19
2.2.1
Влияние углерода .....................................................................................
19
2.2.2
Влияние легирующих элементов на сталь 95Х18Ш ............................
20
2.2.3
Влияние примесей ...................................................................................
21
2.3
Маршрутная технология изготовления колец подшипника 106ют.01 .....
24
2.4
Разработка технологического процесса термической обработки деталей
..........................................................................................................................................

25
2.4.1
Способы закалки ......................................................................................
26
2.4.2
Выбор температуры закалки ...................................................................
28
2.4.3
Выбор среды охлаждения при закалке ..................................................
29
2.4.4
Превращение в стали при нагреве под закалку и при охлаждении ...
31
2.4.5
Виды отпуска, выбор и обоснование температуры отпуска ...............
33
2.5
Контроль, виды брака и меры его предупреждения ..................................
35
2.5.1
Контроль в процессе закалки .................................................................
35
2.5.2
Контроль в процессе отпуска .................................................................
35


4


2.5.3 Виды брака и меры его предупреждения	36

2.6 Обоснование выбора оборудования, контрольно-измерительных

приборов и приспособлений	37

2.6.1 Выбор и описание основного оборудования	37

2.6.2 Выбор и описание вспомогательного оборудования	41

2.6.3 Выбор и описание дополнительного оборудования	42

2.6.4 Выбор и описание приборов по замеру твердости	43

2.6.5 Выбор и описание прибора для определения микроструктуры	43

2.6.6 Выбор и описание приборов неразрушающего контроля	44

2.6.7 Описание приборов контроля и регулирования температуры в печи 45

2.6.8 Выбор и описание конструкции приспособлений	46

2.7 Расчет режима термической обработки кольца подшипника 106ют.01 .. 46

2.7.1 Расчет времени нагрева при закалке	46

2.7.2 Расчет времени нагрева при отпуске	48

2.7.3 График термической обработки детали	48

3 НОРМИРОВАНИЕ ОПЕРАЦИИ ТЕРМИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКИ	50

4 ПЛАНИРОВКА ЦЕХА (УЧАСТКА) ТЕРМООБРАБОТКИ	54

5 ЭКОНОМИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ	Ошибка! Закладка не определена.

5.1 Расчет потребного количества работающих по категориям	Ошибка!

Закладка не определена.

5.1.1 Расчет численности работающих по категориям ... Ошибка! Закладка

не определена.

5.1.2 Расчет численности вспомогательных рабочих Ошибка! Закладка не

определена.

5.1.3
Расчет численности ИТР ...............
Ошибка! Закладка не определена.
5.1.4
Расчет численности МОП .............
Ошибка! Закладка не определена.
5.2 Расчет площади участка ......................
Ошибка! Закладка не определена.
5.2.1
Площадь участка для печи ............
Ошибка! Закладка не определена.
5.2.2
Площадь склада .............................
Ошибка! Закладка не определена.
5.2.3
Площадь ИТР .................................
Ошибка! Закладка не определена.


5


5.2.4
Площадь ОТК .................................
Ошибка! Закладка не определена.
5.2.5
Общая площадь участка ................
Ошибка! Закладка не определена.
5.3
Расчет фонда заработной платы и среднемесячного заработка одного
работающего .........................................................
Ошибка! Закладка не определена.
5.3.1 Основной фонд заработной платыОшибка! Закладка не определена.
5.3.2
Фонд заработной платы вспомогательных рабочих ................
Ошибка!
Закладка не определена.



5.3.3
Фонд заработной платы ИТР ........
Ошибка! Закладка не определена.
5.3.4
Фонд заработной платы МОП ......
Ошибка! Закладка не определена.
5.3.5
Ведомость заработной платы .......
Ошибка! Закладка не определена.
5.4
Расчет цеховых расходов ....................
Ошибка! Закладка не определена.
5.5
Расчет стоимости термической обработки годового выпуска и единицы
изделия. смета производства. калькуляция .......
Ошибка! Закладка не определена.
5.5.1
Себестоимость годового выпуска деталей .........
Ошибка! Закладка не
определена.



5.5.2
Расчет технико-экономических показателей .....
Ошибка! Закладка не
определена.



5.6
Экономическое обоснование спроектированного участка ............
Ошибка!
Закладка не определена.



6 ЭКОЛОГИЯ ................................................
Ошибка! Закладка не определена.
7 БЕЗОПАСНОСТЬ ЖИЗНЕДЕЯТЕЛЬНОСТИ ...............
Ошибка! Закладка не
определена.




7.1
Классификация опасных и вредных производственных факторов на
термическом участке при термической обработке колец подшипников 106ют.01
55х30х13
................................................................
Ошибка! Закладка не определена.
7.2
Разработка мероприятий по снижению воздействия опасных и вредных
производственных факторов на персонал .........
Ошибка! Закладка не определена.
7.3
Электробезопасность ...........................
Ошибка! Закладка не определена.
7.4
Пожаробезопасность ............................
Ошибка! Закладка не определена.
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ ...............................................
59


6


















ВВЕДЕНИЕ



     Долговечность и надежность колец подшипников, во многом определяется качеством металла и его термической обработкой. Постоянное увеличение выпуска подшипников требует повышения требований к их долговечности и надежности. Термическая обработка является основной операцией техпроцесса производства подшипников, от обоснованности режимов и правильности выполнения которой зависит качество изготовляемых деталей и надежность работы машин и механизмов различного назначения.

     Подшипники – повсеместно распространенные изделия, с которыми, тем не менее, в быту большая часть людей сталкивается крайне редко, хотя именно на них связанна вся современная промышленность. Связанно это с тем, что они являются комплектующими и устанавливаются в узлы, скрытые от наших глаз. Например, блендер, с помощью которого мы перемалываем продукты, работает за счет подшипника, детская карусель во дворе крутится за счет подшипника, все автотранспортные средства передвигаются за счет того, что подшипники обеспечивают минимизацию потерь энергии на трение. Любое производство, переработка, транспортировка, передвижение подразумевает под собой применение подшипников – качения, скольжения, или же систем линейного перемещения. Всвязи с широкой областью применения подшипников, к выбору материала и его термической обработки следует подходить с определенными требованиями (в зависимости от того в каких условиях работают подшипники).


7

     Подшипники по своей конструкции являются высокотехнологичными изделиями, имеющие в рабочих условиях сложнейшую динамику взаимодействия составляющих компонентов для восприятия высоких и разнообразных нагрузок, обеспечения точности вращения вала при большом диапазоне частот вращения и температур.

     Все изготовленные кольца в процессе их получения и эксплуатации подвергаются воздействию многократно изменяющихся температур, агрессивным средам, следовательно, происходят различные изменения свойств, которые определяются тем или другим структурным состоянием материала. На основании этого была разработана как самостоятельный процесс технология термической обработки. В настоящее время можно считать, что имеющийся опыт и научное обоснование технологии позволяет на отдельных стадиях производства

использовать изменения температур для целенаправленного влияния на технологические и эксплуатационные свойства материала. Это означает, что области использования термической обработки быстро расширяются, а само понятие должно охватывать все термические процессы, целью которых является изменение свойств материала. Термическая обработка приобретает все большее значение как для совершенствования технологических процессов изготовления и обработки материалов с целью их экономного рационального использования, так и для получения заготовок и деталей с заданными механическими свойствами.

     Достижения в области технологии термической и химико-термической характеризуется широким внедрением комплексной механизации и автоматизации процессов, созданием нового оборудования и приборов, обеспечивающих непрерывный рост производительности труда и выпуск продукции высокого качества.

     Особое значение имеет проблема изготовления и термической обработки деталей подшипников, работающих в агрессивных средах. Агрессивные среды, такие как морская и речная вода, щелочные растворы с концентрацией 1 – 20 %, сырая нефть, различные кислоты в несколько раз сокращают срок службы деталей, а в дальнейшем и срок службы оборудования. Не менее важное значение имеет
8

температурный фактор, Коррозионностойкие подшипники, работающие при высоких температурах должны обладать жаростойкостью. Коррозионностойкие подшипники, работающие в различных климатических условиях, нашли свое применение в ракетостроении; в судостроении; в военной технике, работающие в воде и на суше в арктических условиях; в нефтедобывающих установках, работающие в морской воде и т.д.

    Исходя из выше изложенного, в дипломной проекте поставлены следующие основные цели:

? изучение и обзор условий эксплуатации и характеристик колец подшипников 106ЮТ.01 работающих в коррозионных средах

? выбор стали для производства колец подшипников 106ЮТ.01 работающих в коррозионных средах;

? проектирование технологического процесса термической обработки колец подшипников, обоснование температурно-временных параметров этапов термообработки и методов контроля качества производства;

? обоснование и выбор основного и дополнительного оборудования для реализации процесса термической обработки колец подшипников;

? проектирование термического участка цеха для термообработки колец подшипников 106ЮТ.01 работающих в коррозионных средах;

? определение экономической эффективности и срока окупаемости проекта;

? разработка мероприятий по охране труда и охране окружающей среды





















9



















    1 УСЛОВИЯ ЭКСПЛУАТАЦИИ И ХАРАКТЕРИСТИКА КОЛЕЦ ПОДШИПНИКОВ РАБОТАЮЩИХ В КОРРОЗИОННЫХ СРЕДАХ


1.1 Классификация подшипников

Подшипники качения можно классифицировать по следующим признакам:

а)	по направлению воспринимаемой нагрузки по отношению к оси вала.

По этому признаку подшипники разделяют на:


    радиальные, воспринимающие исключительно или преимущественно радиальную нагрузку;

    радиально- упорные, способные воспринимать комбинированные нагрузки, т. е. радиальные и осевые одновременно или поочередно;

     упорно-радиальные, предназначенные для восприятия осевой нагрузки, но способные воспринимать небольшую радиальную нагрузку;

упорные, воспринимающие только осевую нагрузку; б) форме тел качения.

Подшипники	разделяются	по этому	признаку

     на шариковые и роликовые. Ролики могут быть цилиндрическими (короткими, длинными и асимметричными), коническими, бочкообразными (симметричными и асимметричными) и витыми;

в)	числу рядов тел качения.


10

По этому	признаку	подшипники	разделяются

на однорядные, двухрядные, четырехрядные и многорядные;

г)	способности самоустановки.

По	данному	основному	конструктивно-эксплуатационному	признаку

подшипники	подразделяются	на	несамоустанавливающиеся

самоустанавливающиеся (сферические),[1].











и




1.2 Характеристика детали и условия ее работы

    Подшипник – это деталь машин предназначенная для передачи вращательного движения. Составными частями подшипника являются внутреннее кольцо, наружное кольцо, тела качения (шарики и ролики), сепараторы подшипники применяются во всех областях промышленности: авиастроение, машиностроение, приборостроение и так далее. Поэтому к выбору материалов для изготовления деталей подшипников качения следует подходить с особо строгими требованиями. При работе подшипника качения, вследствие незначительности площади контакта через которую передаются усилия, материал испытывает большое напряжение. Проектируемое изделие – кольцо, работающее в агрессивных средах, должно обладать высокой твердостью, износостойкостью. Условное обозначение «ЮТ.01» указывает на то, что подшипник работает при температурах от минус 2000С до плюс 4000С. Материал, из которого изготавливается подшипник, должен обладать
коррозионностойкостью,	иметь	однородную	структуру,	обладать	хорошей

обрабатываемостью, иметь высокую жаропрочность, достаточно высокую «горячую» твердость и необходимую степень стабильности размеров при повышенных рабочих температурах.


1.3 Технические условия на термическую обработку

Исходя из условий работы кольца подшипника, назначаются следующие технические требования на термическую обработку кольца подшипника 106ЮТ.01 работающего в агрессивных средах:

? твердость: после закалки 59…63 НRC;

11

после отпуска 56…60 HRC;

? микроструктура слоя: мартенсит скрытокристаллический (скрытоигольчатый) плюс карбиды;

? излом: серый, матовый без «блесток»;

? трещины не допускаются.




























































12

2 ТЕХНОЛОГИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ



    2.1 Характеристика и обоснование выбора материала для изготовления детали

    Стали применяемые для подшипников качения, можно разделить на высокоуглеродистые твердокалящиеся и малоуглеродистые цементуемые. В основном подшипники изготавливают из твердокалящихся высокоуглеродистых сталей. В настоящее время в подшипникостроении применяют в основном две хромоуглеродистые стали – ШХ15 и ШХ15СГ; а также применяется сталь конструкционная, легированная 20Х2Н4А, 18ХГТ; сталь коррозионностойкая, жаростойкая, износостойкая – 95Х18, Х32Н8.

Проведем сравнительный анализ трех марок сталей: ШХ15СГ, 95Х18 и ШХ15.



2.1.1 Характеристика стали ШХ15

    Сталь ШХ15 хромоуглеродистая, легированная сталь из нее изготавливают кольца подшипников с толщиной стенки до 14 мм. Сталь ШХ15 обладает высокой твердостью, износостойкостью и контактной прочностью, сопротивляемостью усталости. Главным легирующим элементом этой марки является хром. Как и другие низколегированные хромистые стали, ШХ15 отличается однородной структурой и высокой контактной выносливостью. Этот материал является отличным выбором в тех случаях, когда необходимо обеспечить повышенную устойчивость кромки изделия к достаточно высоким нагрузкам. Материал хорошо обрабатывается при помощи различных технологий. При этом обеспечивается возможность достигать необходимых свойств стали в зависимости от конкретной сферы использования. В частности, свойства материала могут быть значительно улучшены путем правильного выполнения горячей деформации и термообработки. Также могут использоваться и другие технологии обработки металла.

Химический состав стали ШХ15 представлен в таблице 1 Температура критических точек стали ШХ15 представлена в таблице 2 Механические свойства стали ШХ15 представлены в таблице 3
13

    Механические свойства ШХ15 в зависимости от температуры отпуска представлены в таблице 4


    Цена на трубы марки ШХ15 размером 60х30 около 60000 – 75000 рублей за тонну.

    Обрабатываемость резанием: в горячекатаном состоянии при HB 202 ?в=740 МПа, К ? тв. спл=0,9 и К? б.ст=0,36

Свариваемость: способ сварки КТС.

Флокеночувствительность: чувствительна.

Склонность к отпускной хрупкости: склонна.

Шлифуемость: хорошая.



2.1.2 Характеристика стали ШХ15СГ

    Согласно ГОСТу 801 – 78 подшипниковые стали должны обладать определенной прокаливаемостью. Эта характеристика является одним из важнейших технологических свойств стали. Прокаливаемость стали ШХ15СГ определяется методом торцевой закалки, которая колеблется в широких пределах от 2 до 3,7 мм. Прокаливаемость стали ШХ15 колеблется в пределах от 4,5 до 7,7 мм. Следовательно, сталь ШХ15 обладает большей прокаливаемостью и поэтому применяется для изготовления больших размеров деталей подшипников. Так как размеры кольца подшипника 106ЮТ.01 в дипломном проекте не большие, то будем применять сталь меньшей прокаливаемости т.е. либо ШХ15СГ, либо 95Х18-Ш.

    Сталь ШХ15СГ – это конструкционная подшипниковая сталь. Сталь данного типа имеет очень широкое распространение при изготовлении подшипников. Сталь ШХ15СГ имеет незначительное содержание хрома, при этом он является составляющей легированного цементита, остается в твердом растворе и не образует собственных карбидов. Карбиды имеют малые размеры, поскольку сталь заэвтектоидная, но могут встречаться большие их скопления. Данная характеристика позволяет стали ШХ15СГ считаться высокооднородной со

14

значительной контактной выносливостью. Она, как и другие углеродистые стали, отлично держит тонкую кромку.

    Приблизительная стоимость тубы из стали ШХ15СГ в районе 50000 рублей за тонну

Химический состав стали ШХ15СГ представлен в таблице 5 Температура критических точек стали ШХ15СГ представлена в таблице 6 Механические свойства стали ШХ15СГ представлены в таблице 7 Механические свойства в зависимости от температуры отпуска в таблице 8


    Обрабатываемость резанием: в горячетканом состоянии при HB 202 ?в=740 МПа, К ? тв. спл=0,9 и К? б.ст=0,36

Свариваемость: способ сварки КТС.

Флокеночувствительность: чувствительна.

Склонность к отпускной хрупкости: склонна.

    Сталь ШХ15СГ обладает значительными достоинствами: высокой прочностью, сопротивляемостью усталости, изнашиванию, контактной выносливостью.

    Недостатками стали является склонность к перегреву из-за присутствия в ее составе марганца.


2.1.3 Характеристика стали 95Х18-Ш

    Сталь 95Х18-Ш относится к нержавеющим высоколегированным сталям, мартенситного класса. Буква «Ш» в конце марки материала, указывает на то, что сталь электрошлакового переплава. Особенностями слитков электрошлакового переплава являются высокая плотность, отсутствие крупных неметаллических включений, равномерное распределение мелких включений, отсутствие внутренних

и поверхностных раскатанных загрязнений, усадочных дефектов, повышенная пластичность при горячей механической обработке. При ЭШП степень десульфурации составляет 80 %. Содержание сульфидных и оксидных включений уменьшается в 1,5-2 раза. Этот процесс является достаточно дорогостоящим,

поэтому сталь, выплавленную таким образом целесообразно использовать только в

15

тех случаях, когда производимые подшипники используются в особо ответственных изделиях и агрегатах (самолёты, атомные реакторы и т.п.).

     Сталь 95Х18-Ш предназначена для изготовления деталей, работающих при температуре 500 0С, подвергающиеся действию умеренных агрессивных сред, к которым предъявляются требования высокой твердости и износостойкости. Данная марка стали используется в качестве материала-изготовителя для производства подшипников со стальными поверхностями скольжения, которые служат для приема и передачи тяжелых ударных, статических или переменных нагрузок. Также из стали 95Х18-Ш изготавливают подшипники с полимерными вкладышами, которые используют для приема больших постоянно направленных нагрузок и небольших скоростей скольжения (в труднодоступных частях машин и механизмов).


    Сталь обладает: высокой стойкостью в морской и речной воде, в щелочных растворах с концентрацией 1 – 20% и органических веществах (сырая нефть при 20

– 2200С); хорошей стойкостью в азотной и уксусной кислотах; удовлетворительной стойкостью в ортофосфорной кислоте и плохой стойкостью в соляной и серной

кислотах.	Износостойкость,	теплостойкость	и	коррозионностойкость	стали

достигается введением около 18% Cr. Хром увеличивает количество карбидной фазы и меняет качественно ее состав, позволяя получать твердые специальные карбиды.

    Приблизительная стоимость трубы из стали 95Х18-Ш от 90000 рублей за тонну.


Химический состав стали 95Х18-Ш представлен в таблице 9

Температура критических точек стали 95Х18-Ш представлена в таблице 10 Механические свойства стали 95Х18-Ш представлены в таблице 11 Механические свойства в зависимости от температуры отпуска представлены в

таблице 12



    Обрабатываемость резанием: в отожженном состоянии при HB 212-217 и ?в = 700 МПа, К ? тв. спл = 0,86, К? б.ст = 0,35

16

Свариваемость материала: не применяется

Флокеночувствительность: незначительная

Склонность к отпускной хрупкости: склонна

    Недостатком стали является, то что при температуре 350оС она интенсивно разупрочняется, а так же то, что высоколегированная сталь дорогая.

    Электрошлаковый переплав – один из способов повышения качества металлов и сплавов. В результате ЭШП содержание кислорода в металле снижается в 1,5 – 2 раза, уменьшается содержание неметаллических включений, они становятся мельче и равномерно распределяются в объеме слитка, понижается концентрация серы. Слиток отличается плотностью, однородностью, хорошим качеством поверхности.

    Сущность способа ЭШП (рисунок 1) заключается в следующем: Переплавляемый металл в виде расходуемого электрода подключают к источнику тока и погружают в слой (ванну) жидкого электропроводного рафинировочного шлака, который наводят в водоохлаждаемой металлической изложнице (кристаллизаторе) расплавлением твердой шлаковой смеси или заливкой жидкого шлака, приготовленного в специальном плавильном агрегате. Переменный (или постоянный) электрический ток проходит от электрода к шлаку и под действием тепловой энергии расплавляет последний и поддерживает его в жидком состоянии при 1600 – 2000 0С. Часть тепла выделяемого в шлаковой ванне, передается расходуемому электроду, торец которого начинает оплавляться. Капли жидкого электродного металла проходят через слой шлака и опускаются на дно шлаковой ванны, где образуют металлическую ванну. Металлическая ванна, последовательно затвердевая снизу, образует слиток.


2.1.4 Характеристика стали 11Х18М-ШД

    Сталь 11Х18М-ШД – молибденсодержащая, конструкционная сталь двойного дугового переплава (электрошлакового + вакуумного дугового), предназначенная для изготовления малогабаритных и миниатюрных подшипников качения работающих при температурах до 350 0С в агрессивных средах. После проведенной термической обработки получаем карбиды регламентированного размера,

17

обладающих высокой степенью надежности и долговечности, и обеспечивающих стабильный уровень выходных характеристик изделий в процессе длительной эксплуатации.

    Двойной переплав осуществляют для получения более чистого металла. Вакуумнодуговой переплав осуществляют после электрошлакового переплава, сущность электрошлакового переплава была описана в стали 95Х18-Ш.

    Цель вакуумно-дугового переплава – очистить металл от газов и отчасти от неметаллических включений в условиях, когда переплавляемый металл не контактирует с воздухом и огнеупорами. Перед плавкой кристаллизатор, поддон, вакуумную камеру, шток очищают от налета.

    Сущность вакуумно-дугового переплава состоит в следующем (рисунок 2): расходуемый электрод 3 (переплавляемый металл) закрепляют на водоохлаждаемом штоке 2 и помещают в корпус печи 1 и далее в медную водоохлаждаемую изложницу 6. Из корпуса печи откачивают воздух до остаточного давления 0,00133 кПА.


    При подаче напряжения между расходуемым электродом – катодом 3 и затравкой – анодом 8 возникает дуга. Выделяющаяся теплота расплавляет конец электрода; капли 4 жидкого металла, проходят зону дугового разряда, дегазируются (водород удаляется до 80%, азот – до 50%, содержание кислорода уменьшается на 50 – 70%), образуют слиток 7. Дуга горит между расходуемым электродом и жидким металлом 5 в верхней части слитка на протяжении всей плавки. Сильное охлаждение слитка и разогрев дуговой ванны металла создают условия для направленного затвердевания слитка, а усадочная раковина в слитке мала. Слитки вакуумного дугового переплава содержат мало газов, неметаллических включений, отличаются высокой равномерностью химического состава, повышенными механическими свойствами. Если учесть что вакумно-дуговой переплав проводят после электрошлакового переплава, то в итоге получаем высококачественный чистый металл, за счет чего цена металла увеличивается.

Приблизительная стоимость трубы из стали 11Х18М-ШД от 130000 рублей.

18

Химический состав стали 11Х18М-ШД представлен в таблице 13 Механические свойства стали 11Х18М-ШД представлены в таблице 14


    Допускается остаточное содержание вольфрама, ванадия и титана в стали не более 0,20 % каждого элемента.


    Сталь поставляется в отожженном состоянии с твердостью не более 269 HB (диаметр отпечатка не менее 3,7). После термической обработки структура стали – мартенсит скрытокристаллический, так же присутствует аустенит остаточный 13 – 13,2 %, средний размер избыточных карбидов 24мкм.

    Проанализировав самые распространенные шарикоподшипниковые стали применяемые в подшипникостроении – ШХ15, ШХ15СГ, 95Х18-Ш, 11Х18М-ШД. Сравнив механические, физические свойства сталей со свойствами к требуемому проектируемому кольцу подшипника 106ЮТ.01, работающему в агрессивных средах, следует сделать вывод: для изготовления проектируемых колец, выбираем сталь коррозионностойкую, с хорошей прокаливаемостью, наиболее чистую, с равномерной структурой, приемлемую по цене – 95Х18Ш.































19


    2.2 Влияние углерода, легирующих элементов и примесей на свойства выбранной стали


2.2.1 Влияние углерода

    Углерод – важнейший компонент стали, придающий стали повышенной прочность и определенный уровень пластичности. С увеличением содержания углерода в структуре стали увеличивается количество цементита – очень твердой и хрупкой фазы. Твердость цементита превышает твердость феррита примерно в

10 раз (800HB и 80HB соответственно). Поэтому прочность и твердость стали растут с повышением содержания углерода, а пластичность и вязкость, наоборот,

снижаются (рисунок 2).


    При повышении содержания углерода до 0,8% увеличивается доля перлита в структуре, поэтому растут и твердость, и прочность. При содержании углерода более 0,8% появляется вторичный цементит по границам перлитных зерен. Твердость при этом почти не увеличивается, а прочность снижается из-за повышенной хрупкости цементитной сетки.

    Кроме того, увеличение содержания углерода приводит к повышению порога хладноломкости: каждая десятая доля процента повышает t50 примерно на 20?. Это значит, что уже сталь с 0,4% С переходит в хрупкое состояние примерно при 0?С, т. е. менее надежна в эксплуатации.

    Влияет содержание углерода и на все технологические свойства стали: чем больше в стали углерода, тем она труднее обрабатывается резанием, хуже деформируется (особенно в холодном состоянии) и хуже сваривается.

Так как коррозионно-стойкая сталь 95Х18Ш содержит углерод 0,9 – 1,0% С, то это приводит к повышению прочности и понижению пластичности, повышает порог хладноломкости и уменьшает ударную вязкость в вязкой области. В стали 95Х18Ш углерод увеличивает количество карбидов и карбидную неоднородность,

20

увеличивает количество и устойчивость аустенита остаточного при отпуске вследствие роста концентрации в нем углерода, создаваемого растворением цементационных карбидов, при нагреве для закалки.

    Количество карбидов определяется содержанием в стали углерода и легирующих элементов и типом образующихся карбидных фаз. Так как в стали находится 17 – 19% хрома и 0,9 – 1,0% углерода, то появляются специальные карбиды хрома. Они представляют собой кристаллообразования типа твердого раствора с преобладанием хрома и кристаллизуются в тригональной системе. Карбид М7С3 растворяется при высоких температурах (950 – 1150 0С). В присутствии карбида М7С3 значительно возрастает износостойкость и снижается коэффициент трения.


2.2.2 Влияние легирующих элементов на сталь 95Х18Ш

    Влияние легирующих элементов на кинетику превращения аустенита очень велика. Элементы, которые только растворяются в феррите или цементите, не образуя специальных карбидов, оказывают лишь количественное влияние на процессы превращения. Они или ускоряют превращение, или замедляют его. Сталь, легированная хромом, образует карбиды М7С3, эти карбиды вносят не только количественные, но и качественные изменения в кинетику изотермического превращения. Так в стали 95Х18Ш наблюдается два максимума скорости изотермического распада, разделенных областью высокой устойчивости переохлажденного аустенита (рисунок 3). Изотермический распад аустенита имеет два явно выраженных интервала превращения – превращение в пластинчатые и игольчатые структуры. Хром сдвигает С – кривую вправо и видоизменяет (раздваивает). Наблюдается две зоны минимального устойчивого аустенита. В районе 600оС АФ+Ц, при 300 – 400оС аустенит распадается на бейнит. Это обстоятельство закаливать изделия из легированной стали в менее резких охладителях, что способствует уменьшению их деформации и опасности возникновения трещин. Различная скорость распада аустенита при температурах перлитного и промежуточного (бейнитного) превращений и изменение в положении

21

 мартенситного интервала температур зависят от содержания углерода в легированном аустените. В стали 95Х18Ш наибольшая скорость превращения наблюдается при температурах промежуточного (бейнитного) превращения. Промежуточное превращение в стали 95Х18Ш протекает не до конца, так как хром вызывает снижение точки М мартенситного превращения и увеличение количества остаточного аустенита (рисунок 4), и оставшийся непревращенным аустенит при последующем охлаждении почти полностью превращается в мартенсит. В этом случае образуется структура – бейнит, мартенсит и аустенит (остаточный).

    Как было уже выше сказано: хром замедляет скорость распада аустенита в районе перлитного превращения, тем самым происходит смещение линии на диаграмме изотермического распада аустенита. Это способствует более глубокой прокаливаемости и переохлаждению аустенита до интервала мартенситного превращения при более медленном охлаждении, например,.......................