2. Пример разработки технологического процесса термической обработки поршневого пальца двигателя

Таблица 2.1 - Технические требования к детали

Наименование детали	Марка стали	Твердость поверхности	Твердость сердцевины	Глубина упрочненного слоя, мм
Палец поршневой двигателя	Сталь 45	HRCэ 54 - 56	HB 255 - 265	1,2 - 1,4

2.1 Поршневой палец служит для шарнирного соединения поршня с шатуном. При работе поршневой палец подвергается воздействию высоких механических нагрузок, меняющихся по величине и направлению, при передаче давления расширяющихся газов с поршня на шатун и коленчатый вал. Кроме того, поршневой палец может изнашиваться в сопряжениях палец - втулка верхней головки шатуна и палец - бобышка поршня.

Исходя из условий работы к материалу для изготовления поршневых пальцев предъявляются следующие требования:

• высокая жесткость, обеспечивающая минимальную деформацию при работе;

• высокая сопротивляемость циклическим ударным нагрузкам;

• достаточная механическая прочность;

• высокая износостойкость рабочей поверхности.

Выполнение таких требований может быть обеспечено получением твердого износоустойчивого верхнего слоя металла пальца в сочетании с вязкой и достаточно прочной сердцевиной, способной работать в условиях ударных нагрузок.

2.2 Сталь 45 поставляется в виде сортового проката, калиброванных прутков, полосы, листов, ленты, поковок и кованых заготовок, труб.

Таблица 2.2 - Химический состав, % (ГОСТ 1080-88)

C	Si	Mn	Cr	S	P	Cu	Ni	As
			не более
0,42 - 0,50	0,17 - 0,37	0,50 - 0,80	0,25	0,04	0,035	0,25	0,25	0,08

Сталь 45, согласно ГОСТ, в горячекатаном состоянии имеет твердость не более HB 229, предел текучести _0,2 = 355 - 370 МПа, предел прочности _В = 600 - 620 МПа, относительное удлинение  = 16 %, относительное сужение  = 40%, ударную вязкость KCU = 0,42 - 0,47 МДж/м² , в случае поставки стали в отожженном или высокоотпущенном состоянии соответственно твердость HB 197, _В = 540 - 580 МПа,  = 13 %,  = 40%, KCU = 0,47 - 0,52 МДж/м².

Таблица 2.3 - Температура критических точек, ⁰С

AС1	AС3	Ar3	Ar1	Mn
730	755	750	690	350

Сталь 45 - углеродистая, конструкционная, качественная сталь. По структуре эта сталь - доэвтектоидная, по способу раскисления - спокойная, по качеству - качественная, по назначению - конструкционная, по содержанию углерода - среднеуглеродистая.

2.3 Содержание углерода в стали оказывает заметное влияние на структуру и свойства стали. Увеличение содержания углерода приводит к повышению прочности и понижению пластичности, повышает порог хладноломкости и уменьшает ударную вязкость.

Углерод также оказывает влияние на технологические свойства: с повышением содержания углерода ухудшаются свариваемость и способность к деформации в горячем и холодном состояниях.

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

Марганец и кремний являются полезными примесями в стали, они вводятся в сталь для раскисления. Положительное влияние марганца проявляется также в том, что он устраняет вредное влияние серы, резко уменьшая красноломкость стали, т.е. хрупкость при высоких температурах. Марганец и кремний растворяются в феррите и повышают его твердость и прочность, однако пластичность при этом снижается.

Сера и фосфор являются вредными примесями. Сера снижает пластичность и вязкость стали, а также служит причиной красноломкости при прокатке и ковке. Фосфор растворяется в феррите, повышает его прочность и твердость, но сильно снижает пластичность, поэтому сталь становится хрупкой при обычных температурах (явление хладноломкости).

Микроструктура стали в исходном состоянии - феррито-перлитная (рисунок 2.1).

Рисунок 2.1 - Схема микроструктуры стали в исходном состоянии

2.4 Исходя из требований, предъявляемых к детали, считаем, что необходимо выполнить следующие операции термической обработки:

• Объемная закалка - для повышения твердости и прочности детали.

• Высокий отпуск - для получения достаточной прочности, высоких значений ударной вязкости и предела выносливости поршневого пальца по всему сечению.

Для повышения прочностных и других характеристик детали вместо улучшения (закалки и высокого отпуска) можно было провести более простую операцию нормализации, однако выбираем первый вариант, позволяющий получить более высокие значения временного сопротивления, предела текучести и особенно ударной вязкости.

Например, после нормализации предел прочности _В = 700 - 730 МПа, ударная вязкость KCU = 0,76 - 0,80 МДж/м² , а после улучшения - соответственно _В = 800 - 850 МПа, KCU = 1,1 - 1,3 МДж/м².

• Поверхностная закалка - для повышения твердости, износостойкости и предела выносливости поверхностного слоя детали.

• Низкий отпуск - снижения закалочных напряжений, некоторого повышения прочности и улучшения вязкости без заметного снижения твердости и износостойкости.

Выбираем следующую последовательность операций обработки поршневого пальца при его изготовлении из прутка (маршрутный технологический процесс): механическая обработка - улучшение (закалка + высокий отпуск) - механическая обработка - поверхностная закалка с нагревом ТВЧ + низкий отпуск - окончательная механическая обработка.

ЗАКАЛКА

Температуру нагрева под закалку выбираем на 30 - 50 ⁰С выше критической температуры A_С3 (рисунок 2.2). По справочнику эта температура составляет 820 - 850 ⁰С.

Рисунок 2.2 - Температурный интервал закалки сталей

Сталь с исходной перлито-ферритной структурой при нагреве до этих температур приобретает аустенитную структуру: Ф + П  А (рисунок 2.3а).

а) б)

Рисунок 2.3 - Схема закалки стали 45 (доэвтектоидной стали):

а) схема закалки; б) диаграмма изотермического превращения аустенита

После выдержки, обеспечивающей завершение фазовых превращений по сечению, заготовку поршневого пальца необходимо охладить так, чтобы получить структуру мартенсита в пределах заданного сечения детали (иметь определенную прокаливаемость). Для этого выбираем такую охлаждающую среду, которая обеспечивает охлаждение со скоростью выше критической, т.е. Vз  Vкр (рисунок 2.3б). Для стали 45 такой охлаждающей средой является вода. В результате закалки сталь будет иметь мартенситную структуру, характеризующуюся высокой твердостью, прочностью, но низкой пластичностью (рисунок 2.4): А  М.

Рисунок 2.4 - Схема микроструктуры стали после закалки

ВЫСОКИЙ ОТПУСК

Отпуск проводим при температуре 550-650⁰С с последующим охлаждением на воздухе. При отпуске снижается твердость, снимаются внутренние напряжения, возникающие при закалке, а пластичность и ударная вязкость значительно возрастают.

Так, _В = 800 - 850 МПа, _0,2 = 450 - 550 МПа,  = 13 - 15 %,  = 35 - 40%, KCU = 1,1 - 1,3 МДж/м² , HB 250 - 265.

Таким образом, достигается оптимальное сочетание прочности, пластичности, вязкости. Структура стали представляет собой сорбит отпуска (рисунок 2.5).

Рисунок 2.5 - Схема микроструктуры после улучшения

В результате улучшения получили определенный комплекс механических свойств по всему сечению пальца: высокую прочность, пластичность, ударную вязкость. С целью получения высокой твердости поверхностного слоя пальца в сочетании с вязкой сердцевиной проводим поверхностную закалку.

ПОВЕРХНОСТНАЯ ЗАКАЛКА

При поверхностной закалке проводим нагрев поверхностного слоя пальца с помощью ТВЧ выше критической температуры A_С3 (по справочнику 830 - 850 ⁰С) с последующим быстрым охлаждением водой.

Микроструктура поверхностного слоя, нагретого выше A_С3 , состоит из мартенсита. Микроструктура слоя, нагретого выше A_С1, но ниже A_С3 , - состоит из мартенсита и феррита. Глубинные же слои, нагретые ниже A_С1 , не закалятся, поэтому будут иметь исходную микроструктуру, т.е. сорбит отпуска (рисунок 2.6).

Рисунок 2.6 Схема микроструктуры после поверхностной закалки

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

НИЗКИЙ ОТПУСК

Низкий отпуск проводим при температуре 140 - 160 ⁰С с последующим охлаждением на воздухе. В результате отпуска внутренние напряжения снижаются, и несколько уменьшается хрупкость мартенсита при сохранении высокой твердости и износостойкости поверхностного слоя пальца. В закаленном слое мартенсит закалки переходит в мартенсит отпуска: М  М_отп .

Твердость поверхностного слоя пальца - HRCэ 54 - 56. В сердцевине же поршневого пальца микроструктура не меняется и остается прежней - сорбит отпуска (С), поэтому ее твердость HB 250 - 265. Возможно появление также переходной зоны, состоящей из мартенсита отпуска и феррита (М_отп + Ф) (рисунок 2.7).

Рисунок 2.7- Схема микроструктуры после окончательной термообработки

График режимов разработанного процесса термической обработки поршневого пальца из стали 45 приведен на рисунке 2.8.

Рисунок 2.8 - График режимов термической обработки поршневого пальца из стали 45