ЗАДАНИЕ

Разработать технологический процесс термической обработки на участке окончательной термической обработки корабельных гребных валов.

Деталь: корабельный гребной вал, диаметр 300 мм, длина 15000 мм.

Материал: сталь.

Механические свойства после термической обработки: σ_В = 1000 МПа, δ > 10 %, KCU⁺²⁰ > 0,4 МДж/м².

РЕФЕРАТ

Пояснительная записка содержит: 27 с., 5 рис., 1 табл., 9 лит. ист.

КОРАБЕЛЬНЫЙ ГРЕБНОЙ ВАЛ, СТАЛЬ 45ХН, ЗАКАЛКА, ОТПУСК, ШАХТНАЯ ПЕЧЬ, ЗАКАЛОЧНЫЙ БАК

Целью работы является выбор марки материала для производства корабельного гребного вала, выбор технологического оборудования и разработка технологии термической обработки.

СОДЕРЖАНИЕ

ЗАДАНИЕ……………………………………………………………………..	2
РЕФЕРАТ……………………………………………………………………...	3
ВВЕДЕНИЕ…………………………………………………………………...	5
1 ТЕХНОЛОГИЯ ТЕРМИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКИ………………………..	6
1.1 Выбор марки материала………………………………………………	6
1.2 Разработка режима термической обработки стали 45ХН…..………	9
1.3 Дефекты термически обработанных деталей………………………	12
1.4 Виды контроля качества термической обработки…………………	14
2 ВЫБОР И ОПИСАНИЕ РАБОТЫ ТЕРМИЧЕСКОГО ОБОРУДОВАНИЯ……………………………………………………………	15
2.1 Основное оборудование……………………………………………	15
2.1.1 Большая шахтная топливная печь ТШОВ-10.160/11.…………	15
2.1.2 Закалочный бак……….…………………...…………………...	17
2.2 Вспомогательное оборудование………………………………………	18
2.2.1 Бак для промывки…………………………………………………	18
2.3 Дополнительное оборудование	19
2.3.1 Приспособление для загрузки деталей	19
2.3.2 Подъемно-транспортное оборудование	20
2.3.3 КИПиА	22
2.4 Техника безопасности при термической обработке	22
ЗАКЛЮЧЕНИЕ……………………………………………………………….	24
ПРИЛОЖЕНИЕ А Технологическая карта…………………………………	25
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ ……………………….	27

ВВЕДЕНИЕ

Технологический процесс термической обработки – это совокупность последовательно или одновременно выполняемых технологических операций (вспомогательных, основных, дополнительных).

Цель термической обработки – изменение в нужном направлении механических, физико-химических и технологических свойств без изменения основных размеров и формы деталей или заготовок.

Таким образом, термическая обработка является технологическим процессом, в результате которого изделия из металлов и сплавов приобретают свойства, отличные от тех, которыми они обладают до проведения термической обработки. Термическая обработка осуществляется на оборудовании, которое устанавливают либо в отдельных термических цехах, либо в отделениях термической обработки, например при литейных, прокатных, кузнечно-штамповочных, инструментальных цехах, а также в потоке механической обработки.

Термической обработкой можно в широком диапазоне изменять прочность, жаропрочность, пластичность, вязкость, технологические свойства (ковкость, штампуемость, обрабатываемость резанием, шлифуемость, свариваемость, прокаливаемость, теплостойкость), магнитные, электрические, коррозионные, тепловые и оптические свойства.

Термическая обработка повышает конструкционную прочность -надежность и долговечность материала конструкции, узла, детали в процессе их эксплуатации. Номенклатура деталей, подвергаемых термической обработке, весьма велика – от миниатюрных деталей в прецизионных приборах до крупных отливок и поковок. Термическая обработка оказывает существенное влияние на трудоемкость и себестоимость смежных операций производства. При этом себестоимость самой термической обработки не превышает 2…4 % полной себестоимости.

1 Технология термической обработки

1.1 Выбор марки материала

Гребной вал служит для передачи крутящего момента от двигателя к гребному винту, а также передачи силы упора, создаваемого вращающимся гребным винтом на упорный подшипник. Согласно Правилам Регистра России гребные валы должны быть надежно защищены от соприкосновения с морской водой. Этой цели служат облицовки по всей длине вала (сплошные) или только в районах дейдвудных подшипников (несплошные) с защитой межоблицовочной части вала покрытием на основе эпоксидных смол. Регистр России рекомендует применение сплошных цельнолитых облицовок, особенно для валов крупнотоннажных судов. Облицовки обычно изготавливают из бронзы Бр. ОЦ10-2, обладающей высокой коррозийной стойкостью при работе в морской воде со всеми антифрикционными неметаллическими материалами [1].

Нагрузки, действующие на гребной вал:

1. вращательный момент, передающийся от гребного винта;

2. гидродинамические силы, которые возникают при работе винта;

3. вес валов, гребного винта и других механизмов, закрепленных на валах;

4. изгибающие моменты, появляющиеся в результате расцентровки валопровода.

В качестве материала для изготовления молотков используются конструкционные стали.

Проведем сравнительный анализ нескольких марок сталей: Ст4пс, 40 и 45ХН. Их химический состав приведен в таблице 1.

Сталь марки Ст4пс имеет в состоянии поставки σ_В = 420…540 МПа [2], то есть значительно меньше 1000 МПа.

Таблица 1 – Химический состав сталей Ст4сп, 40 и 45ХН [2]

Марка стали	Массовая доля элементов, %
	C	Mn	Si	S	P	Cr	Ni	Cu
Ст4пс	0,18-0,27	0,40-0,70	0,05-0,15	≤0,050	≤0,040	≤0,30	≤0,30	≤0,30
40	0,37-0,45	0,50-0,80	0,17-0,37	≤0,040	≤0,035	≤0,25	≤0,30	≤0,30
45ХН	0,41-0,49	0,50-0,80	0,17-0,37	≤0,035	≤0,035	0,45-0,75	1,00-1,40	≤0,30

У стали 40 в состоянии поставки, σ_В = 510…570 МПа [2], что тоже ниже требуемого значения.

Сталь 45XН после отжига имеет σ_В ≈ 600 МПа.

Таким образом, ни одна из этих сталей в состоянии поставки не имеет σ_В = 1000 МПа, поэтому для получения требуемой величины σ_В гребной вал необходимо подвергнуть термической обработке.

Для низкоуглеродистой стали Ст4пс улучшающее влияние термической обработки незначительно. Кроме того, эта сталь имеет повышенное содержание фосфора, который снижает ударную вязкость и повышает порог хладноломкости (каждые 0,01% Р сдвигают его на 20-25 °С в сторону положительных температур). Поэтому для такой ответственной детали, как гребной вал, применение стали обыкновенного качества недопустимо. Остаются стали 40 и 45ХН.

Для получения требуемых свойств и, в частности, ударной вязкости не менее 0,4 МДж/м², требуется провести улучшение, то есть закалку с высоким отпуском.

Сталь 45 имеет критический диаметр при закалке в воде D₉₀ = 10мм, D₅₀ = 15мм (90% и 50% мартенсита в центре детали соответственно), а у стали 45ХН D₉₀ = 20мм, D₅₀ = 35мм даже при охлаждении в масле [3].

После улучшения механические свойства стали 40: σ_В = 600…750 МПа, δ = 19 %, KCU⁺²⁰ > 0,4 МДж/м². Для стали 45ХН: σ_В = 1030 МПа, δ = 10 %, KCU⁺²⁰ > 0,4 МДж/м² [2].

Таким образом, углеродистая сталь 40 не будет иметь требуемых механических свойств, поэтому данный гребной вал необходимо изготовить из стали 45ХН.

Диаграмма изотермического распада переохлажденного аустенита приведена на рисунке 1.

Рисунок 1. Диаграмма изотермического распада переохлажденного аустенита

стали 40ХН [4]