материалка / 63 Курс МОЯ материалы

Задание №63

Выбрать способ формообразования, марку материала и режим термический обработки для патрубка с круглым проходным сече­нием, испытывающего при эксплуатации воздействие горячих неф­тяных сред с сернистыми соединениями. Диаметр патрубка 120 мм, толщина стенки 10 мм. Требуемые механические свойства: σ_в>580 МПа, σ_т>380 МПа, δ>15%, ψ >28%, KCU>40 Дж/см².

Эскиз патрубка

ВВЕДЕНИЕ

Материаловедением называют прикладную науку о связи состава, строения и свойств материалов. Решение важнейших технических проблем, связанных с экономией материалов, уменьшением массы машин и приборов, повышением точности, надёжности и работоспособности механизмов и приборов во многом зависят от материаловедения. Изучение механических (долговечность и надежность деталей машин зависят от материала и его конструкционной прочности, т.е. способности выдерживать рабочие нагрузки, возникающие в детали), технологических (выбор формообразования детали взаимосвязано с её конфигурацией и маркой материала) и эксплуатационных (температура рабочей среды, условий работы и других видов воздействий) свойств различных материалов, позволяет в каждом конкретном случае определить материал, который лучшим образом удовлетворяет назначенным требований с учетом экономической выгодности.

На выбор материала решающее влияние оказывает способ формообразования: литье, обработка давлением, обработка резаньем и др. Например; в качестве материала для тонкостенных деталей сложной формы с внутренними криволинейными полостями применяют специально разработанные стали, обладающие хорошей жидкотекучестью и минимальной усадкой; для сварных конструкций используют стали с хорошей свариваемостью.

Режим термической обработки для придания материалу необходимых свойств зависит в первую очередь от выбранной марки материала, а в ряде случаев и от способа формообразования. Поэтому выбор для патрубков в соответствии с полученным заданием осуществляется в следующей последовательности:

– анализ исходных данных (требуемых значений технических характеристик материала и условий работы детали);

– выбор способа формообразования;

– выбор марки материала;

– назначение вида и режима термической обработки.

АНАЛИЗ ИСХОДНЫХ ДАННЫХ

ДЛЯ ВЫБОРА МАТЕРИАЛА

Задание на курсовую работу предусматривает выбор материала для патрубков, испытывающих при эксплуатации воздействие горячих нефтяных сред с сернистыми соединениями.

Анализ приведенных в задании требований показал следующее.

При средних значения прочностных характеристик (σ_в>580 МПа, σ_т>380 МПа) при хорошей пластичности и вязкости (δ>15%, KCU>40 Дж/см²) характерны для низко- и средне-легированных сталей. Механические свойства легированных сталей определяется количеством легирующих элементов. Легирование значительно повышает механические и эксплуатационные свойства (жаропрочность, коррозионную стойкость и т.д.) Например, хром – жаростойкость, никель – коррозионную стойкость и т.д. Так же, при выборе стали, большую роль играет способ формообразования. Для этой детали наиболее рациональным способом будет литье. Следовательно, искать нужную сталь следует в первую очередь среди низко– и средне-легированных коррозионно-стойких жаропрочных литейных сталей.

ВЫБОР СПОСОБА ФОРМООБРАЗОВАНИЯ

Учитывая сложную форму патрубка, для его изготовления наиболее приемлемым является способ формообразования литьем, а именно литье в оболочковые формы, литье по выплавляемым моделям и литье в кокиль. Для придания формы этой детали я выбераю литье в оболочковые формы. Это позволит, во-первых, получить высокую геометрическую точность отливок, во-вторых, позволит снизить припуски на механическую обработку, следовательно, приблизить коэффициент использования материала к единице за счет минимального съема металла при последующей механической обработке.

ВЫБОР МАРКИ МАТЕРИАЛА

Для выбора марки материала были проанализированы механические свойства группы коррозионно-стойких литейных сталей [3, стр. 187] предназначенные для изготовления деталей арматуры нефтеперерабатывающих установок, корпусов насосов и других деталей, работающих под давлением в горячих нефтяных средах, содержащих сернистые соединения.

Полностью соответствуют заданным требованиям стали 20Х5МЛ, 20Х5ТЛ и 20Х8ВЛ. Для рассмотрения я выбрал сталь.

Стали других групп не удовлетворяют заданным требованиям по многим показателям.

Ниже приводятся химический состав, механические и технологические свойства стали 20Х5МЛ по данным справочника [3].

Назначение стали 20Х5МЛ (табл. 362): арматура нефтеперерабатывающих установок, корпуса насосов и других деталей, работающих под давлением в горячих нефтяных средах, содержащих сернистые соединения.

Химический состав по ГОСТ 2176 – 77(табл. 364):

0,15%С; 0,35 – 0,7% Si; 0,4 – 0,6% Mn; 4 – 6,5 % Cr; < 0,15% Ni; 0,04% S; 0,04% P; 0,4 – 0,65% Mo.

Механические свойства по ГОСТ 2176 – 77 в сечении до 15 мм после отжига с нагревом до 950⁰ и нормализации при температуре 950⁰ с последующим охлаждением на воздухе и высоким отпуском при температуре 680⁰ – 720⁰ с охлаждением на воздухе (табл. 365): σ_в>600 МПа, σ_т>400 МПа, δ>16%, ψ >30%, KCU>40 Дж/см².

НАЗНАЧЕНИЕ ВИДА И РЕЖИМА ТЕРМИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКИ

При получении заготовок патрубка методом литья в процессе заливки нагревается до температуры 1550⁰ – 1650⁰ [4, стр. 165] и после того как заготовка кристаллизовалась и остыла, то в некоторых частях отливки может сохраниться крупнозернистая, неравномерная структура, которая может отрицательно сказаться на механических свойствах готовой детали. Поэтому для измельчения и выравнивания структуры необходимо произвести отжиг при 950⁰ с охлаждением на воздухе и нормализацию при температуре 950⁰, как упрочняющую термическую обработку, с последующим охлаждением на воздухе. В последующем, готовую деталь подвергают высокому отпуску при температуре 680⁰ – 720⁰ (табл. 365) с последующим охлаждением на воздухе. При этом во всем сечении детали наблюдается сорбитная структура.

ОПИСАНИЕ СТРУКТУРЫ И СВОЙСТВ ГОТОВЫХ ДЕТАЛЕЙ

Патрубки с круглым проходным сечением из коррозионно-стойкой стали методом литья с последующим отжигом и подвергнутые термообработке, состоящей из нормализации и высокого отпуска при температуре 680⁰ – 720⁰ и охлаждении на воздухе, имеет равномерную сорбитную структуру по всему сечению и обладает следующими механическими свойствами, одинаковыми во всём объёме патрубка:

σ_в>580 МПа, σ_т>380 МПа, δ>15%, ψ >28%, KCU>40 Дж/см².

Указанные свойства сохраняются при температуре эксплуатации 550⁰ С [3.табл. 362].

Таким образом, выбор в качестве материала для патрубков стали 20Х5МЛ, изготовление их методом литья и применение в качестве упрочняющей термообработки нормализации и высокого отпуска обеспечивает выполнение заданных для этих деталей требований.

ЛИТЕРАТУРА

1. Материалы в машиностроении. Выбор и применение. Справочник (в 5 то­мах). - М.: Машиностроение, 1967.

2. Конструкционные материалы. Справочник. - М.: Машиностроение, 1990.

3.Журавлев В.Н., Николаева О.И. Машиностроительные стали. Справочник. – М.: Машиностроение, 1992.

4. Технология конструкционных материалов; Учебник для машиностроительных специальностей вузов / А.М. Дальский, И.А. Арутюнов, Т.М. Барсукова и др.; Под общ. Ред. А.М. Дальского. – 2-е изд. Переработанное и доп. – М.; Машиностроение, 1985. – 448 с., ил.

5