Курсоваяработа
подисциплине: «Материаловедение и технология материалов»
Натему:
«Методыупрочнения стаканов цилиндров двигателей внутреннего сгорания»
Одесса2010
Оглавление
1.1 Введение 1.2 Сталь №1
1.3Химическийсостав в %
1.4Режим термообработки
1.5Выбор температуры нагрева и охлаждающей среды, вид отпуска
1.6Изменение в структуре при нагреве и охлаждении1.7 Сталь при работе в условиях до 600 °C1.8 Свойства стали1.9 Методы изучения механических свойств1.10 Вывод
1.11 Список литературы
1.1Вступление
Назначениегильз, требования к гильзам цилиндров.
Стенкицилиндра двигателя образуют совместно с поршнем, кольцами и поверхностью камерысгорания пространство переменного объема, в котором совершаются все рабочиепроцессы двигателя внутреннего сгорания. Стенка цилиндра должна быть тщательнообработана и образовывает с поршневыми кольцами пару скольжения.
Цилиндрыи гильзы цилиндров нагружаются силами давления газов, боковой нагрузкой отпоршня и температурной нагрузкой. Переменная по величине и направлению боковаянагрузка вызывает изгиб и вибрацию цилиндра и ослабляет его крепление ккартеру. Стенки цилиндра под действием возникающих при движении поршня силтрения подвергаются, кроме того, износу.
Гильзыцилиндров должны быть прочными, жесткими, износостойкими, обеспечивать,возможно, меньшие потери на трение поршня о поверхность цилиндра. Внешняя ивнутренняя поверхность гильз должна обладать антикоррозионной устойчивостью.Конструкция гильз должна также обеспечивать надежность уплотнений в местахстыков гильз с головкой и блоком цилиндров.
Гильзыцилиндров могут, являются как самостоятельной конструкционной единицейдвигателя («мокрые» и гильзы двигателей воздушного охлаждения), так и являтьсяэлементом ремонтной технологии, предусмотренной заводом изготовителем(например: «сухие» гильзы для двигателей, где цилиндры выполнены заодно сблок-картером).
В автомобильных и тракторных двигателях наибольшее распространение получиличугунные гильзы.
Поконструкции гильзы цилиндра современных автомобильных и тракторных двигателейможно разделить на три основные группы:
1.«Мокрые» гильзы цилиндров.
2.«Сухие» гильзы цилиндров.
3.Гильзы для двигателей с воздушным охлаждением.
/>
«Мокрые»гильзы. Конструкцией двигателя с водяным охлаждениемпредусмотрена полость в картере двигателя, так называемая «рубашка охлаждения».Гильза, соприкасающаяся свой поверхностью с охлаждающей жидкостью находящейся в«рубашке охлаждения» называется «Мокрой». «Мокрые» гильзы цилиндровобеспечивают лучший отвод тепла, но картер двигателя с такими гильзами обладаетменьшей жесткостью. Большое распространение эти гильзы получили на грузовых итракторных двигателях в силу своей высокой ремонтопригодности.
Какправило, выпускаемые производителями «мокрые» гильзы не требуют передустановкой, какой либо доработки. Изношенные «мокрые» гильзы в большинствеслучаев не ремонтируют, а заменяют новыми без снятия двигателя с шасси. Дляпредотвращения прорыва газов в охлаждающую жидкость и просачивания этойжидкости в цилиндр и картер двигателя «мокрые» гильзы комплектуютсяуплотнительными прокладками. Внутренняя поверхность гильз тщательнообрабатывается (хонингуется)для того что бы обеспечить наличие требуемоймасляной пленки для смазки поршневых колец. Двигатели с «мокрыми» гильзамиустанавливаются почти на все современные коммерческие автомобили.
«Сухие»гильзы. Гильзы, не имеющие соприкосновения с охлаждающейжидкостью, называются «сухими» гильзами. Конструкцией некоторых двигателейпредусмотрена заливка при изготовлении в блок картер гильз изготовленных изизносостойкого материала, создавая тем самым оптимальные условия для работыцилиндропоршневой группы. Например, некоторые модели двигатели HONDA, LendRover,Volkswagen, AUDI,VOLVO и многих других производителей имеют алюминиевыйблок цилиндров (для уменьшения веса силового агрегата) и залитые в него «сухие»гильзы (для увеличения ресурса и повышения ремонтопригодности).
Но самое широкое распространение «сухие» гильзы получили в сфере капитальногоремонта двигателя.
Не«загильзованный» блок цилиндров современного двигателя имеет несколько,предусмотренных технологией, расточек с последующей установкой в него ремонтныхпоршней. Установка «сухих» гильз позволяет не менять блок двигателя даже послеизноса цилиндра расточенного в последний ремонтный размер.
Производителигильз выпускают так называемые, заготовки гильз, то есть гильзы имеющие запаспо длине и внешнему диаметру, которые после токарной обработки запрессовываютсяс натягом в блок цилиндров. Такие гильзы как правило не имеют обработкивнутренней поверхности. Они растачиваются и хонингуются только после установкигильзы в блок цилиндров.
Поверхностьблока цилиндров под установку тоже повергается тщательной обработке: расточке ив некоторых случаях хонингованию. Гильза с упором устанавливается в блок поддавлением, с натягом (в среднем 0,03-0,04 мм), для гильз, не имеющих упоранатяг больше. Наружная поверхность «сухих» ремонтных гильз, как правило,подвергается шлифовке, для увеличения плотности прилегания к блоку цилиндров.
Гильзы могут фиксироваться при установке верхним буртом, нижним буртом иливообще могут устанавливаться без упора.
Некоторыеяпонские производители, например ISUZU, изготавливают двигатели с тонкостеннымистальными гильзами, имеющими покрытие из пористого хрома железом.
Такиегильзы не подвергаются механической обработке и устанавливаются в блокцилиндров без натяга, с небольшим усилием и удерживаются в блоке за счетприжатия широкого бурта гильзы головкой блока.
Блоккартер с сухими гильзами имеет повышенную жесткость по сравнению с блоком, сустановленными «мокрыми» гильзами.
Гильзыцилиндров для двигателей с воздушным охлаждением.В двигателях воздушного охлаждения конструкция оребрения и необходимостьсоздания охлаждающих воздушных потоков не позволяют применять блок-картерныйтип отливки. В этих двигателях применяют отдельно отлитые цилиндры с воздушнымиребрами, расположенными чаще всего перпендикулярно оси цилиндра.
Этигильзы цилиндра крепятся к верхней части картера короткими шпильками черезопорный фланец (несущие цилиндры) или при помощи анкерных (несущих) шпилек.
Гильзыцилиндров двигателей воздушного охлаждения изготавливают как из одного(монометаллические), так и из двух (биметаллические) металлов.
Монометаллическиецилиндры делают из чугуна, реже из стали или легких сплавов. Из биметаллическихцилиндров получили распространение чугунные или стальные цилиндры с залитыми(или навитыми) алюминиевыми ребрами.
Широкоераспространение двигатели с воздушным охлаждением получили среди производителейтяжелой строительной техники. Ярким примером является всемирно известныйпроизводитель индустриальных двигателей немецкая фирма DEUTZ.
1.2Сравнение сталей
Характеристикаматериала 20Х.Общие сведенияЗаменитель стали: 15Х, 20ХН, 12ХН2, 18ХГТ. Вид поставки Сортовой прокат, в том числе фасонный: ГОСТ 4543-71, ГОСТ 2590-71, ГОСТ 2591-71, ГОСТ 2879-69, ГОСТ 10702-78. Калиброванный пруток ГОСТ 7414-75, ГОСТ 8559-75, ГОСТ 8560-78, ГОСТ 1051-73. Шлифованный пруток и серебрянка ГОСТ 14955-77. Лист толстый ГОСТ 1577-81, ГОСТ 19903-74. Полоса ГОСТ 82-70, ГОСТ 103-76. Поковки и кованые заготовки ГОСТ 8479-70, ГОСТ 1131-71. Трубы ГОСТ 8732-78, ГОСТ 8733-87, ГОСТ 8734-75, ГОСТ 13663-68. Назначение втулки, шестерни, обоймы, гильзы, диски, плунжеры, рычаги и другие цементируемые детали, к которым предъявляется требование высокой поверхностной твердости при невысокой прочности сердцевины, детали, работающие в условиях износа при трении.
Химический составХимический элемент % Кремний (Si) 0.17-0.37 Медь (Cu), не более 0.30 Марганец (Mn) 0.50-0.80 Никель (Ni), не более 0.30 Фосфор (P), не более 0.035 Хром (Cr) 0.70-1.00 Сера (S), не более 0.035
Механические свойства
Механическиесвойства при повышенных температурахt испытания, °C 0,2, МПа B, МПа 5, % , %
Образец диаметром 6 мм, длиной 30 мм кованый и нормализованный. Скорость деформирования 16 мм/мин. Скорость деформации 0,009 1/с. 700 120 150 48 89 800 63 93 56 74 900 51 84 64 88 1000 33 51 78 97 1100 21 33 98 100 1200 14 25
Механическиесвойства прокатаТермообработка, состояние поставки Сечение, мм 0,2, МПа B, МПа 5, % , % KCU, Дж/м2 HB HRCэ Пруток. Закалка 880 °С, вода или масло; закалка 770-820 °С, вода или масло; отпуск 180 °С, воздух или масло 15 640 780 11 40 59 Сталь нагартованная калиброванная со специальной отделкой без термообработки 590 5 45 207 Пруток. Цементация 920-950 °С, воздух; закалка 800 °С, масло; отпуск 190 °С, воздух. 60 390 640 13 40 49 250 55-63
Механическиесвойства поковокТермообработка, состояние поставки Сечение, мм 0,2, МПа B, МПа 5, % , % KCU, Дж/м2 HB Нормализация КП 195
Механические свойства в зависимости от температурыотпускаt отпуска, °С 0,2, МПа B, МПа 5, % , % KCU, Дж/м2
Пруток диаметром 25 мм. Закалка 900 °С, масло. 200 650 880 18 58 118 300 690 880 16 65 147 400 690 850 18 70 176 500 670 780 20 71 196 600 610 730 20 70 225 Технологические свойстваТемпература ковки Начала 1260, конца 760. Заготовки сечением до 200 мм охлаждаются на воздухе, 201-700 мм подвергаются низкотемпературному отжигу. Свариваемость сваривается без ограничений (кроме химико-термически обработанных деталей). Способы сварки: РДС, КТС без ограничений. Обрабатываемость резанием В горячекатаном состоянии при НВ 131 и B = 460 МПа K тв.спл. = 1.7, K б.ст. = 1.3 [81]. Склонность к отпускной способности не склонна Флокеночувствительность малочувствительна Температура критических точекКритическая точка °С Ac1 750 Ac3 825 Ar3 755 Ar1 665 Mn 390 Ударная вязкость Ударная вязкость, KCU,Дж/см2Состояние поставки, термообработка +20 -20 -40 -60 Пруток диаметром 115 мм. Закалка. Отпуск. 280-286 280-289 277-287 261-274
Пределвыносливости-1, МПа n B, МПа 0,2, МПа Термообработка, состояние стали 235 1Е+7 450-590 295-395 Нормализация. НВ 143-179 295 1Е+7 690 490 Закалка. Высокий отпуск. НВ 217-235 412 1Е+7 930 790 Цементация. Закалка. Низкий отпуск. HRCэ 57-63 Прокаливаемость
Закалка 860 С. Твердость для полос прокаливаемостиHRCэ.Расстояние от торца, мм / HRC э 1.5 3 4.5 6 7.5 9 10.5 12 13.5 18 38,5-49 34-46,5 29-44 24,5-40 22-35,5 32,5 30 28,5 27 24,5 Кол-во мартенсита, % Крит.диам. в воде, мм Крит.диам. в масле, мм Крит. твердость, HRCэ 50 26-48 8-24 32-36 90 12-28 3-9 38-42 Физические свойстваТемпература испытания, °С 20 100 200 300 400 500 600 700 800 900 Модуль нормальной упругости, Е, ГПа 216 213 198 193 181 171 165 143 133 Модуль упругости при сдвиге кручением G, ГПа 84 83 76 74 71 67 62 55 50 Плотность, pn, кг/см3 7830 7810 7780 7710 7640 Коэффициент теплопроводности Вт/(м 42 42 41 40 38 36 33 32 31 Температура испытания, °С 20- 100 20- 200 20- 300 20- 400 20- 500 20- 600 20- 700 20- 800 20- 900 20- 1000 Коэффициент линейного расширения (a, 10-6 1/°С) 10.5 11.6 12.4 13.1 13.6 14.0 Удельная теплоемкость (С, Дж/(кг · °С)) 496 508 525 537 567 588 626 706
Обоснованиевыбора стали
Сталь для изготовления деталей соединительных муфттурбины, обеспачувающая σв =900 МПа
Сталь Назанчение 34ХН3М Валы, роторы и диски паровых турбин и компрессорных машин, валы экскаваторов, валы-шестерни, муфты и полумуфты, зубчатые колеса, оси, болты, силовые шпильки и другие особо ответственные тяжелонагруженные детали, работающие при температуре до 500°C
Данная сталь является конструкционная легированнаясталь
1.3 Химсостав стали
Химический состав в % материала 34ХН3МСталь C Ni Si Mg Cr Mo 34ХН3М 0.3 — 0.4 2.75 — 3.25 0.17 — 0.37 0.5 — 0.8 0.7 — 1.1 0.25 — 0.4
1.4Термообработка и механические свойства сталейСталь Температура, °C σт σв δ ψ ан в Дж/ см^2 НВ после отжига (не более)
Закалка в масле отпуск высокий Отпуска с охлаждение в печи или масле МПа В %
Не менее
34ХН3М 850-870 550-650 750 900 – – – 277-321 /> /> /> /> /> /> /> /> /> /> /> />
Температуракритических точек материала 34ХН3М
/>
Механическиесвойства при Т=20oС материала 34ХН3М
/>
Физическиесвойства материала 34ХН3М
/>
1.5Выбор температуры нагрева и охлаждающей среды, вида отпуска
Закалка- термическая обработка — заключается в нагреве стали до температуры вышекритической (/>для доэвтектоидной и /> – для заэвтектоиднойсталей) или температуры растворения избыточных фаз, в выдержке и последующемохлаждении со скоростью, превышающей критическую. Закалка не являетсяокончательной операцией термической обработки. Чтобы уменьшить хрупкость инапряжение, вызванные закалкой, и получить требуемые механические свойства, сталь после закалки обязательно подвергают отпуску. Конструкционную сталь восновном подвергают закалке и отпуску для повышения прочности, твердости,получения достаточно высокой пластичности и вязкости, а для ряда деталей такжевысокой износостойкости
Выбортемпературы закалки. Доэвтектоидные стали нагреваются до температуры на 30-50°Cвыше точки/> В этом случае сталь сисходной структурой перлит +феррит при нагреве приобретает аустенитнуюструктуру, которая при последующем охлаждении со скоростью выше критической превращаетсяв мартенсит. Закалку от температуры, соответствующей межкритическому интервалу(/>-/>), применяют только длялистовой низколегированной низкоуглеродистой стали для получения структурыферрита с небольшими участками мартенсита (20-30%), обеспечивающей хорошиемеханические свойства и штампуемость. Во всех других случаях закалкадоэвтектоидных сталей из межкритического интервала температур не применяется,так как механические свойства оказываются ниже, чем после закалки от температурвыше точки />
Охлаждающиесреды для закалки. Охлаждение при закалке должнообеспечивать, получение структуры мартенсита в пределах заданного сече6нияизделия (определенную закаливаемость) и не должно вызывать закалочных дефектов:трещин, деформаций, коробления и высоких растягивающих остаточных напряжений вповерхностных слоях. Наиболее желательна высокая скорость охлаждения (вышекритической скорости закалки) в интервале температур />-/> для подавления распадапереохлажденного аустенита в области перлитного и промежуточного превращенийзамедленное охлаждение в интервале температур />-/>.
Чащедля закалки используют кипящие жидкости – воду, водные растворы щелочей исолей, масла. При закалке в этих средах различают три периода:
1)пленочное кипение, когда на поверхности стали образуется «паровая рубашка»; вэтот период происходит небыстрый отвод теплоты, т.е. скорость охлажденияневелика;
2)пузырьковое кипение, наступающая при полном разрушении паровой пленки,наблюдаемое при охлаждении поверхности до температуры ниже критической; быстрыйотвод теплоты;
3)конвективный теплообмен, который отвечает температурам ниже температуры кипенияохлаждающей жидкости; теплоотвод в этот период происходит с наименьшейскоростью.
Вданном случае мы используем масло. Для легированных сталей, обладающих болеевысокой устойчивостью переохлаждения аустенита при закалке, применяютминеральное масло (чаще нефтяное).
Маслокак закалочная среда имеет следующие преимущества:
Небольшуюскорость охлаждения в мартенситном интервале температур, что уменьшает возникновениезакалочных дефектов, и постоянство закаливающей способности в широком интервалетемператур среды (20- 150 °C) К недостаткам следует отнести повышеннуювоспламеняемость (температура вспышки 165 — 300 °C), недостаточную стабильностьи низкую охлаждающую способность в области температур перлитного превращения, атакже повышенную стоимость.
Температурамасла при закалке поддерживают в пределах 60 — 90 °C, когда его вязкостьоказывается минимальной.
Длязакалки применяют водные растворы полимеров (ПК2, ПАА, УЗСП-1), снижающиескорость охлаждения в мартенситном интервале температур. Однако нужноучитывать, что растворимость полимеров в воде меняется с изменениемтемпературы, что влечет за собой изменение охлаждающей способности.
Всеширине начинают применять охлаждения под давлением в среде азота, аргона иводорода.
Отпуск:Отпуск заключается в нагреве закаленной стали до температур ниже />, выдержке при заданнойтемпературе и последующем охлаждении с определенной скоростью. Отпуск являетсяокончательной операцией термической обработки, в результате которой стальполучает требуемые механические свойства. Кроме того отпуск полностью иличастично устраняет внутренние напряжения возникающие при закалке. Этинапряжения снимаются тем плотнее, чем выше температура отпуска. Так, например,осевые напряжения в цилиндрическом образце из стали, содержащей 0,3 % С, врезультате отпуска при 550 °C уменьшаются с 600 80 МПа. Так же сильноуменьшаются тангенциальные и радиальные напряжения.
Наиболееинтенсивно напряжения снижаются в результате выдержки при 550°C в течении 15 –30 мин. После выдержки в течении 1,5 часа напряжения снижаются до минимальногозначения, которое может быть достигнуто отпуском при данной температуре.
Основноевлияние на свойства стали оказывают температура отпуска. Различают три видаотпуска:
1)Низкотемпературный(низкий) отпуск проводят при нагреве, до 250 °C, закаленная сталь (0,6-1,3 %С)после низкого отпуска сохраняет твердость 58 – 63 HRC,а следовательно высокую износостойкость.
2)Среднетемпературный(средний) отпуск выполняется при 350 – 500 °C и применяют главным образом дляпружин и рессор, а также для штампов. Структура стали после среднего отпуска –троостит отпуска или троостомартенсит; твердость стали 40 – 50 HRC.
3)Высокотемпературный(высокий ) отпуск проводится при 500 – 680 °C. Структура стали после высокогоотпуска – сорбит отпуска. Высокий отпуск создает наилучшее соотношениепрочности и вязкости стали.
Закалкас высоким отпуском ( по сравнению с нормализацией или отжигом) повышаетвременное сопротивление, предел текучести, относительно сужение и особенноударную вязкость. Термическую обработку, состоящую из закалки и высокогоотпуска, называют улучшением.
Улучшениюподвергают среднеуглеродистые (0,3 — 0,5 % С) конструкционные стали, к которымпредъявляются высокие требования по пределу выносливости и ударной вязкости.Улучшение значительно повышают конструктивную прочность стали, уменьшаячувствительность к концентраторам напряжений, увеличивая работу развития трещини снижая температуру порога хладноломкости. Трещиностойкость /> после улучшения – 250 –350 МПа*м.
Отпускпри 550 – 600 °C в течении 1- 2 часа почти полностью снимает остаточныенапряжения, возникшие при закалке. Длительность высокого отпуска составляет 1-6 часов в зависимости от габарита изделия.
1.7 Сталь для работы до 600 °C
Сталь Назанчение 34ХН3М Валы, роторы и диски паровых турбин, зубчатые колеса, оси, болты, силовые шпильки и другие особо ответственные тяжелонагруженные детали, работающие при температуре до 580°C
Даннаясталь является жаропрочной высоколегированной
Химическийсостав в % материала 15Х12ВНМФ
/>
Температуракритических точек материала 15Х12ВНМФ.
/>
Механическиесвойства при Т=20oС материала 15Х12ВНМФ
/>
/>
Физическиесвойства материала 15Х12ВНМФ
Технологическиесвойства материала 15Х12ВНМФ .
/>
/>
1.8Свойства стали для работы до 600 °C
Впервую очередь сталь должна обладать жаростойкостью и длительной прочностью.
Жаропрочность-способностьматериала противостоять механическим нагрузках при высоких температурах. Многиежаропрочные стали должны обладать одновременно и достаточной жаростойкостью.
ГОСТ5632-72 предусмотрено 39 марок жаропрочных сталей и 24 марки жаростойкихсплавов.
Жаропрочностьзависит от температуры рекристаллизации металла, предела его упругости,сопротивления материала пластическим деформациям при высоких температурах,размеры зерна, размера зерна, наличия в сплаве примесей, цикличности нагревов,предварительной пластической деформации, легирование сталей и сплавов всочетании с термообработкой и температуры плавления. Чем выше температураплавления метала, тем выше его температура рекристаллизации.
Поджаростойкими сталями и сплавами понимают стали и сплавы, обладающие стойкостьюпротив химического разрушения поверхности в газовых средах при температуре выше550 °C, работающие в ненагруженном или полунагруженом состоянии.
Жаростойкостьхарактеризует сопротивление окисления при высоких температурах. Для повышенияокалиностойкости сталь легирует элементами, которые благоприятным образомизменяют состав и строение.
Длительнаяпрочность — /> — напряжение, вызывающееразрушение при данной температуре за данный отрезок времени. Например, по ГОСТ10145-62 предел длительной прочности может быть обозначен /> – напряжение (МПа),вызывающее разрушение материала за 1000 ч при 700 °C
Длительнаяпрочность является важной характеристикой материала, так как она определяетсрок службы его до разрушения, т. е. его живучесть.
1.9Методы изучения механических свойств на образцах в обоих случаях
Подмеханическими свойствами понимают характеристики, определяющие поведения метала(или другого материала) под действием приложенных внешних механических сил. Кмеханическим свойствам обычно относят сопротивление металла (сплава) деформации(прочность) и сопротивление разрушению (пластичность, вязкость, а так жеспособность металла не разрушаться при наличии трещин)
Врезультате механических испытаний получают числовые значения механическихсвойств, т. е. значения напряжений или деформаций, при которых происходятизменения физического и механического состояний материалов.
Приоценке механических свойств металлических материалов различают несколько группиз критериев.
1.Критерии, определяемые независимо от конструктивных особенностей и характераслужбы изделий. Эти критерии находятся путем стандартных испытаний гладкихобразцов на растяжение, сжатие, изгиб, твердость (статические испытания) или наударный изгиб образцов с надрезом (динамические испытания)
1.10Вывод
Исходя из требуемых свойств Сталь для изготовлениядеталей соединительных муфт турбины обеспечивающая σв = 900 МПа я выбралсталь марки 34ХН3М. Она является конструкционно легированной сталью.Легированные стали широко применяют в тракторном и сельскохозяйственноммашиностроении, в автомобильной промышленности, тяжелом и транспортноммашиностроении в меньшей степени в станкостроении, инструментальной и другихвидах промышленности. Это стали применяют для тяжело нагруженныхметаллоконструкций. Благодаря ее свойствам она превосходно подходит дляизготовления. Далее нам нужно было выбрать сталь изделий подобного типа приработе в условиях нагрева до 600°C. Подошла сталь 34ХН3М. Это жаропрочная стальмартенсито — ферритного класса исходя из требуемых свойств сталь этой маркиподходит также к изготовки деталей
1.11 Список литературы
1.В.Н. Журавлев, О.И. Николаева — Машиностроительные стали. Справочник;
2.Жаропрочные стали и сплавы: Справочник / Масленников С.Б. – М;
3.Дриц, М. Е. Технология конструкционных материалов и материаловедение: учебникдля вузов / М. Е. Дриц. — М.: Высш.шк, 1990. – 447 с
4.попович В. Технология конструкционных метериалов и материаловедение.Кн.1,-Львов, 2002.-417с.
5.Гуляев А.П.Металоведение.-М.: Металлургия,1986.-542
6.Бирюков Б.Н., Косс Е. В., Шевченко И.М.Методические указания к изучению курса«материаловедение».-Одесса: ОПИ,1992.