Реферат: Производство заготовок валов

Вариант 1

Опишите технологическийпроцесс производства заготовок валов диаметром не ниже 150 мм. Валответственного назначения.

Для изготовления наиболееответственных деталей, для которых требуется материал особой прочности вкрупных сечениях, используются хромоникельмолибденованадиевыестали. Примерами таких деталей являются: поковки валов и цельнокованныхроторов турбин, валы высоконапряженных трубовоздуходувныхмашин, детали редукторов и т.д.

Для работы в указанныхусловиях наиболее подходит материал – сталь 36Х2Н2МФА(легирующими элементами в данной стали являются Cr, Ni, Mo, и V), т.к. онаобладает высокой прочностью, пластичностью и вязкостью и низким порогомхладноломкости. Этому способствует высокое содержание никеля. Молибден,присутствующий в стали, повышает ее теплоемкость. Эту сталь можно использоватьпри 400-500 оС. Также данная стальобладает высокой прокаливаемостью (критический диаметр свыше 100 мм), чтопозволяет упрочнять термической обработкой крупные детали. Даже в очень большихсечениях (1000 – 1500 мм и более) в сердцевине после закалки образуется бейнит, а после отпуска сорбит.

Недостаткамивысоколегированных хромоникельмолибденованадиевыхсталей являются трудность их обработки резанием и большая склонность кобразованию флокенов. При их обнаружении бракуют всюпартию паковок. Также данные стали являются дорогими и их следует применятьтолько в том случае если более дешевые стали не обеспечивают требования,предъявляемые к изделию.

Так как в данном случае неуказаны требования предъявляемые к изделию, то будем считать что свойства сталиданного изделия соответствуют предъявляемым.

Химический состав, термическая обработка и механическиесвойства стали 36Х2Н2МФА

Содержание элементов, %

Термическая обработка

Механические свойства

Порог хладноломкости, оС

Обрабатываемость резанием

другие элементы

Закалка (tзак, оС, среда)

Отпуск (tзак, оС, среда)

d

0,2

d

y

a

н, кгс*м/см2

tв

tн

Kn

кгс/мм2

0,33-0,4

0,25-0,5

1,3-1,7

0,2-0,3 Mo

0,1-0,18 V

850, масло

600, воздух

120

110

— 60

— 140

229

0,4

Буква А в конце маркиозначает, что сталь выплавлена по улучшенной технологии и со специальносниженным содержанием серы и фосфора (£

0,030%каждого).

Производство чугуна

Исходные материалы: железные руды; флюс (СаСО3);топливо (кокс, мазут); огнеупорные материалы.

Железная руда — этоприродное минеральное сырье. Кроме железа в руде содержатся Al2О3,SiC2 (это пустая порода) и вредныепримеси: мышьяк, фосфор более 1%.

Доменные флюсы нужны дляудаления из печи тугоплавкой пустой породы, руды и золы топлива. Доменнымфлюсом служит известняк

СаС03®

СаО+ С02

Топливо в доменной печиявляется не только источником тепла, но и восстановителем железа из егооксидов. Кокс — это кусковое топливо, получаемое путем окисления коксуяцихся углей. Используют природный газ СН4 — метан, мазут, угольную пыль.

Схема подготовки руды иплавке

дробление ®

обогащение ®окускование®агломерация®®скатывание.

Дробление необходимо длятого, чтобы получить нужную степень измельчения, руды для плавни (10-30 мм),для агломерации – менее 5-8 мм.

Сортировку руды по классамкрупности проводят на механических грохотах и установках типа гидроциклоп, где разделение частиц происходит под действиемцентробежной силы.

Основной способ обогащения — магнитный. Он состоит в том, что тонкоизмельченнуюруду помещают в магнитное поле, где магнитные частицы отделяются от пустойпороды.

А: томерация — это окускование мелкого железного сырья путемспекания (puc.1).

Ркс.1. Схемапроцесса спекания:

1- колосниковая решетка; 2-постель;3-слой агломерирующей шихты; 4-зона спекания; 5-слойагломерата

На решетку загружают слойагломерате – постель, чтобы не было просыпания мелкой шихта через зазоры. Затемзасыпают агломерируемой шихты: железосодержащие компоненты (агло-руда) – 70%; флюсы (измельченный известняк) – 20%;топливо (мелкий кокс, угольная мелочь и пиль) – 5-7%; марганцевая руда 1%.

Агломерируемую шихтуувлажняют (4-6%) и тщательно перемешивают вовращающихся барабанах, при этом шихта окомковывается,что повышает ее газопроницаемость. После зажигания газовыми горелками топливаначинается его горение (рис.2). Воздух для горенияпросасывается через слой шихты с помощью вакуумных устройств, остаточноедавление 6-10 МПа.

Зона горения постепенноперемещается вниз до постели колосников. При температуре 1300-16ОО°Спроисходит спекание шихты в пористый продукт – агломерат. После сортировки нагрохоте куски крупностью 10-40 мм использует для плавки, менее 10 ми направляютна переработку. При спекании из руды удаляются вредные принеси (сера, мышьяк),разлагаются карбонаты.

Окатывание. Шихта из измельченныхконцентратов, флюса, топлива увлажняется и при обработке во вращающихсябарабанах, тарельчатых чашах, приобретает форму шариков — окатышей диаметром до30 им. Окатыши высушивают и обжигают (1200-1350°С) на обжиговых машинах.Использование агломерата и окатышей исключает отдельную подачуфлюса-известняка в доменную печь при плавке, т.к. флюс в необходимом количествевходит в их состав.

Выплавка чугуна

Чугун выплавляют в печах (рис.2) шахтного типа — доменных печах. Сущность процесса — восстановление оксидов железа, входящих в состав руды, оксидом углерода,водородом и твердым углеродом.

Доменная печь имеет до 40 ммстальной кожух, выложенный внутри огнеупорным шамотным кирпичом. Шамот получаютиз обожженной и сырой глины – это нейтральный по химическим свойствам (50-60% SiO2 30-45 % Al2O3),наиболее распространенный и дешевый огнеупорный материал (толщина до 700 мм).Для уменьшения нагрузки на нижнюю часть печи ее верхнюю часть, начиная отраспара, сооружают на стальном кольце с опорными колоннами. Нижнюю часть горна выкладываютиз особо огнеупорных материалов — графитизированныхблоков (толщина стенок до 1500 мм). Для повышения стойкости огнеупорной кладкив ней устанавливает металлические водяные холодильники (3/4 высоты печи)

Рис.2. Схема доменной печи;

I — чугунная летка; 2 -горн;3- фурма; 4- заплечики;

5 -распар; 6 -шахта; 7-колошник; 8- засыпной аппарат;

9 -шлаковая летка

Для выплавки 1 т чугунарасходуется 1,8 т офлюсованногоагломерата, 500 кг кокса.

Печь загружают шихтовымиматериалами по мере необходимости, непрерывно подают воздушное литье и удаляютдоменные газы, периодически выпуская чугун и шлак.

Шихтовый материал загружаетпри помощи засыпного аппарата, шихту задают отдельными порциями по мереопускания протравляемых материалов. Навстречу им снизу вверх движется потокгорячих газов, образующихся при сгорании топлива.

Горение топлива. В районевоздушных фурм происходит полное сгорание кокса: C + O2= + Q иприродного газа: CH4 + +2O2=CO2 + 2H2+ Q. В фокусе горения температура 1800-2000°С. Продукты сгораниявзаимодействуют с раскаленным коксом: CQ2+ C = 2CО-Q; H2О(пар) + С(кокс)=Н2+СО — Q. Образуется смесь восстановительныхгазов, в которых СО — главный восстановитель железа из его оксидов

Восстановление железа в доменной печи

Восстановителями являютсяоксид углерода CO2, твердый углерод и водород. Восстановлена твердым углеродом- прямое, газами — косвенное.

Косвенное восстановлениепроисходит за счет углерода по реакции в шахте печи: 3Fe2О3+ CO=2Fe2О4 + CO2 + Q, Fe3О4+ СО=3FeО+C02-Q, FeO+CO=Fe+CO2+Q. За счет СО и H2восстанавливаются все высшие оксиды железа до низшего и 40-6О%металлического железа.

Прямое восстановлениепроисходит твердым углеродом притемпературе 950-1000° в зоне распара печи: FeO+ Cтв=Fe + CO-Q.

В доменной печи железовосстанавливается почти полностью. Потери со шлаком — 0,2-1%.Образование металлического железа начинается при 400-500°С (в верхней частишахты печи) и заканчивается при 1300-1400°С (в распаре,). В шахте печи наряду свосстановлением железа происходит его науглероживаниепо реакции: ЗFе + 2СО=Fe3С + CO2+Q, и образуется сплав железа с углеродом. С повышением содержания углерода(1,8–2%) температура плавления понижается до1200-150°С. Стекая каплями в горн, расплав смывает куски раскаленного кокса идополнительно науглероживается. При отекании сплавав горн в нем растворяются восстановленные Мn, Si,образуя сложный железоуглеродистый сплав — чугун (3,7-4%С). Его конечный состав устанавливается в горне и зависит от состава, свойстваи количества шлака. Закись марганца MnOвосстанавливается только прямым путем — твердым углеродом при 1100°С пореакции: МnО + С=Мn+СО-Q. Восстановление кремния из SiO3 — по реакции: SiO2+2C=Si+CO-Q при I450°C. Фосфор восстанавливается СО,водородом, а также твердив углеродом.

Значение шлака очень велико,его состав и свойства определяют конечный состав чугуна. В районе распараобразуется первичный шлак. При стенании вниз и накоплении в горне шлак существенно изменяет состав: в немрастворяются SiO2, Al2O3.Для выплавки передельных чугунов, литейных и другихвсегда подбирают шлаковые режимы (исходя из определенных свойств получаемогочугуна). При выплавке передельного чугуна составшлака: 40-50% СаО; 38-40% SiO2; 7-I0% Al2O3.

Продукты доменной плавки: передельный чугун, литейный чугун, доменные ферросплавы,шлак, колошниковый газ

Производство стали

Для производствавысококачественных легированных сталей используют два основных способа: кислыймартеновский процесс и выплавка в электродуговых печах.

В мартеновских печах привыплавке легированных сталей, когда в ванну вводят значительное количествоферросплавов, охлаждается металл. Из-за трудности нагрева металлической ванныколичество одновременно присаживаемых ферросплавов ограничивают 3% массы металла. Поэтому высоколегированные стали, заредким исключением, в мартеновских печах не выплавляют. Избегают выплавлять истали с повышенным содержание тугоплавких элементов (вольфрам, молибден). Кромеэтих недостатков, данный процесс обладает другими: экологические, опасностьразрушения при охлаждении печи. В настоящее время, по ряду определенных причин,от данного способа получения стали отказываются.

Плавильные электропечи имеютпреимущества по сравнению с другими плавильными агрегатами, так как в них можнополучать высокую температуру металла, создавать окислительную,восстановительную, нейтральную атмосферу и вакуум, что позволяет выплавлятьсталь любого состава, раскислять металл с образованием минимального количестванеметаллических включений – продуктов раскисления. Поэтому электропечииспользуют для выплавки конструкционных, высоколегированных, инструментальных,специальных сталей и сплавов.

Нам необходимо получитьвысококачественную легированную сталь 36Х2Н2МФА, где«36» — среднее содержание углерода в сотых долях процента. Такуюсталь целесообразнее получить в электродуговых печах (рис.3)

Сущностью любогометаллургического передела чугуна в сталь является снижение содержания углеродаи примесей путем их избирательного окисления и перевода в шлак и газы впроцессе плавки.

Исходные материалы: передельный чугун и стальной лом (скрап), железная руда,окалина (источник О2), флюс-известняк — в основных печах, кварцевыйпесок — в кислых, топливо (электрический ток).

Рис.3. Схема электродуговой печи

Печь питается трехфазныйпеременный током и имеет три цилиндрических электрода из графитизированноймассы. Между электродами и металлической шихтой под действием тока возникаетэлектрическая дуга, электроэнергия превращается в теплоту, которая передаетсяметаллу и шлаку излучением. Рабочее напряжение 160-600 В, сила тока 1-1О кА. Во время работы печи длина дуги регулируетсяавтоматически, путем перемещения электродов. Стальной кожух печи футерованогнеупорным кирпичом.

Печь загружают при снятомсводе. Печь может наклоняться в сторону загрузочного окна и летки.

Производят плавку неуглеродистой шихте. В печь загружают стальной лом – 90%,чушковый передельный чугун – до 10%,электродный бой, кокс, известь – 2-3%.

Опускают электроды ивключают ток. При плавлении металл накапливается на поддоне печи. Во времяплавления шихте кислородом воздуха, оксидами шихты и окалины окисляетсяжелезо, кремний, фосфор и частично углерод. Оксид кальция из извести и оксидыжелеза образуют основной железистый юлах, способствующий удалению фосфора изметалла.

После нагрева металла ишлака до температуры 1500-1540oC в печьзагружают руду и известь и проводят период «кипения»; происходитдальнейшее окисление углерода. Когда содержание углерода будет меньшезаданного на 0,1%, кипение прекращают и удаляют шлакиз печи. Затем удаляет серу и приступают н раскислению металла, доведениюхимического состава до заданного. Раскислёние проводит осаждением идиффузионным методом. После удаления шлака в печь подают силикомарганеци силикокальций — раскислители.Затем загружают известь, плавиковый шпат и шамотный бой. После расплавленияфлюсов и образования высокоосновного шлака на его поверхность вводят раскислительную смесь, углерод кокса и кремнийферросилиция, восстанавливают оксид железа в шлаке, содержание его в шлакениже, и кислород из металла переходит в шлак. По мере раскисления и понижениясодержания FеО шлак становится белым. Раскисление подбелым шлаком длится 30-60 мин.

Для определения химическогосостава металла берут пробы, затем в печь вводят легирующие элементы в видеферросплавов для получения заданного химического состава металла. Порядок вводаопределяется сродством легирующих элементов к кислороду. Конечное раскислениевыполняют алюминием и силинокальцием и выпускаютметалл из печи в ковш, из которого его разливают в изложницы.

При использовании дуговыхпечей большой вместимости выплавка высококачественной конструкционной сталивыполняется с использованием специальных технологий: вакуумированиестали, внепечная обработка синтетическимизвестково-глиноземистым шлаком, продувка аргоном и т.д.

Легированные ивысококачественные стали разливают в слитки массой 500кг– 7т., а некоторые высоколегированные стали в слитки массой в несколькокилограммов. Для обычных углеродистых сталей используют разливку сверху, а длялегированных и высококачественных сталей используют разливку сифоном визложницы.

В изложницах стальзатвердевает и получаются слитки, которые подвергают дальнейшей обработке.Поверхность слитка получается чистой.

Схема сифонной разливкистали в изложницы

Сталью заполняютсяодновременно несколько изложниц: сталь плавно, без разбрызгивания заполняетизложницы (меньше раковин и пустот, плен оксидов от брызг металла,затвердевающих на стенках изложницы)

Рис.4. Схема сифонной разливкистали в изложницы;

1 — ковш; 2 — жидкая сталь;3 — центровой лигнин; 4 — огнеупорные трубы; 5 — изложницы; 6 — поддон; 7 — прибыльная надставка

Вакуумно-дуговой переплавдля повышения качества металла

Процесс осуществляют ввакуумных дуговых печах с расходуемым электродом. Расходуемый электрод 3изготовляют механической обработкой слитка. Его закрепляют на водоохлаждаемом штоке 2 и помещают в корпус 1 печи и далеев медную водоохлаждаемую изложницу 6. Из корпуса печиоткачивают воздух до остаточного давления 0,00133 кПа.

При подаче напряжения междурасходуемым электродом-катодом 3 и затравкой-анодом 8 возникает дуга.Выделяющаяся теплота расплавляет конец электрода; капли жидкого металла 4,проходя зону дугового разряда, дегазируются, заполняют изложницу изатвердевают, образуя слиток 7. Дуга горит между расходуемым электродом ижидким металлом 5 в верхней части слитка на протяжении всей плавки. Сильноеохлаждение слитка и разогрев дугой ванны металла создают условия длянаправленного затвердевания слитка, вследствие чего неметаллические включениясосредотачиваются в верхней части слитка, а усадочная раковина в слитке мала.Такие слитки содержат мало газов, неметаллических включений, отличаются высокойравномерностью химического состава, повышенными механическими свойствами. Изслитков изготовляют ответственные детали турбин, двигателей, авиационныхконструкций. Масса слитков достигает 50 т.

Получение заготовки.

Ковка – вид горячейобработки металлов давлением, при котором металл деформируется с помощьюуниверсального инструмента. Металл свободно течет в стороны, не ограниченныерабочими поверхностями инструмента, в качестве которого применяют плоские илифигурные (вырезные) бойки, а также различный подкладной инструмент. Полученныезаготовки называют поковками.

Ковка является единственновозможным способом изготовления тяжелых поковок (до 250т.) типа валов гидрогенераторов,турбинных дисков, коленчатых валов судовых двигателей, валов прокатных станов ит.д. Исходными заготовками для ковки тяжелых крупных паковок служат слиткимассой до 320 т.

Процесс ковки состоит изчередования в определеннойпоследовательности основных ивспомогательных операций. Каждая операция определяется характеромдеформирования и применяемым инструментом.

Высоколегированные сталисклонны к интенсивному упрочнению, поэтому для их ковки целесообразнееиспользовать пресс, а не молот. Ввиду малой скорости деформирования на прессах разупрочняющие процессы, возврат и рекристаллизация,успевают произойти полнее, и упрочнение снижается. Ввиду того, чтовысоколегированные стали имеют пониженную пластичность, нужно выбирать такиеприемы ковки, при которых значительно снижаются растягивающие напряжения.

Горячую деформацию применяютдля обработки труднодеформируемых, малопластичныхматериалов и для изготовления крупных деталей. Каждый металл должен быть нагретдо вполне определенной температуры, чтобы не получить пережог и перегрев.

Нагревательные печиприменяют для нагревания металла перед обработкой давлением. В печах теплота кзаготовке передается главным образом конвекцией и излучением из окружающегопространства нагревательной камеры, выложенной огнеупорным материалом. Теплотуполучают в основном сжиганием газообразного, реже жидкого, топлива (мазут).

Наиболее распространеннымтипом печей является камерная печь, в которой заготовки 2 укладывают на под 1печи через окно 4 и после прогрева до заданной температуры извлекают через тоже окно. Рабочее пространство печи нагревают сжиганием газа с помощью горелок3, служащих для смешения газа с воздухом и подачи смеси в печь. Продуктысгорания отводят через дымоход 5 в рекуператор – теплообменник, в которомпоступающий к горелкам воздух нагревается теплотой горячих уходящих газов.Подогрев воздуха до температуры 350 – 500 оСпозволяет экономить до 25% топлива. Для нагревакрупных заготовок применяют камерные печи с выдвижным подом и специальныепосадочные машины.

Рис.5 Камерная нагревательнаяпечь

Протяжка – операцияудлинения заготовки или ее части за счет уменьшения площади поперечногосечения. Протяжку производят последовательными ударами или нажатиями наотдельные участки заготовки, примыкающие один к другому, с подачей заготовкивдоль оси протяжки и поворотами ее на 90о вокруг этой оси. Прикаждом нажатии уменьшается высота сечения, увеличивается ширина и длиназаготовки.

При протяжке круглогосечения используется вид протяжки с круга на круг (рис. 6) в вырезных бойках. Силы направленные к осевойлинии заготовки способствуют более равномерному течению металла и устранениювозможности образования осевых трещин.

Оборудование: гидравлическиепрессы – машины статического действия; продолжительность деформации на нихсоставляет от единиц до десятков секунд. Металл деформируется приложениемусилия от гидроцилиндра пресса.

Последовательность операцийпаковки устанавливают в зависимости от конфигурации паковки и технологическихтребований на нее.

Рис. 6 Протяжка с круга на круг в вырезных бойках.

Термическая обработка

Для устранения физической ихимической неоднородности (сорбит, троостит, бейнит или мартенсит) и, как следствие, высокой твердости,созданных предыдущей обработкой, используют отжиг. В процессе отжига происходитуменьшение дендритной или внутрикристаллитной ликвации, которая повышаетсклонность стали, обрабатываемой давлением, к хрупкому разрушению, канизотропии свойств и возникновению таких дефектов, как шиферность(слоистый излом) и флокены (тонкие внутренниетрещины, наблюдаемые в изломе в виде белых овальных пятен). Нагрев при отжиге1100 – 1200оС, так как только в этомслучае более полно протекают диффузионные процессы, необходимые длявыравнивания состава стали.

Общая продолжительностьотжига (нагрев, выдержка и медленное охлаждение) больших садок металладостигает 5 – 100 ч. и более. В зависимости от состава стали и массы садкипродолжительность выдержки составляет 8 – 20 ч.

Для удаления поверхностныхдефектов слитки после отжига иногда подвергают нагреву при 670 – 680ов течение 1 – 16 ч., что снижает твердость.

Данная сталь подлежитдальнейшей закалке и высокому отпуску. Закалка применяется для повышенияпрочности, твердости, получения достаточно высокой пластичности и вязкости, адля ряда деталей – высокой износостойкости.

Закалка — термическаяобработка, заключающаяся в нагревании стали до температуры растворенияизбыточных фаз, выдержке и последующем охлаждении.

Продолжительность нагревазаготовки должна обеспечить прогрев изделия по сечению и завершение фазовыхпревращений, но не должна быть слишком большой, чтобы не вызвать роста зерна иобезуглероживания поверхностных слоев стали.

Выбирают продолжительностьнагрева в электропечи 90 с. При нагреве в электрической печи взаимодействиепечной атмосферы с поверхностью нагреваемого изделия приводит к окислению иобезуглероживанию стали.

Окисление создаетневозвратимые потери металла. Окисление происходит в результате взаимодействиястали с кислородом (2Fе+О2 ®

2FеО), парами воды(Fе + H2O— FeO+H2) и двуокисью углерода (Fе + CO2 — FеО + СО).

Для предохранения изделий отокисления и обезуглероживания в рабочее пространство печи вводят защитнуюгазовую среду:

1) эндотермическую;

2) эиоэтермическую(богатую, бедную);

3) диссоциированныйаммиак;

4) технический азот.

Выбирают экзотермическую(богатую среду), которая используется при нагреве для отжига легированныхконструкционных сталей.

Охлаждение обеспечиваетполучение структуры мартенсита в пределах заданного сечения изделия. Длязакалки используют минеральное масло. Масло имеет небольшую скоростьохлаждения в мартенситном интервале температур, что уменьшает возникновениезакалочных дефектов и постоянство закаливающей способности в широком интервалетемператур среды (20-150°С).

Температуру масла призакалке поддерживают в пределах 60-9О°С, когда его вязкость оказываетсяминимальной.

При закалке в этих средахразличают три периода:

1) пленочное кипение – вэтот период происходит небыстрый отвод теплоты, т.е. скорость охлажденияневелика;

2) пузырьковое кипение — быстрый отвод теплоты;

3) конвективный теплообмен — теплоотвод в этот период происходит с наименьшейскоростью.

После закалки проводятотпуск – нагрев закаленной стали с последующим охлаждением с определенной скоростью.Это окончательная операция термической обработки, в результате которой стальполучает требуемые механические свойства.

Кроме того, отпуск полностьюили частично устраняет внутреннее напряжение, возникающее при закалке. Длянашей заготовки применяется высокий отпуск 500-680°С. Он повышает пределыпрочности и текучести, относительное сужение и ударную вязкость. Значительноповышается конструктивная прочность стали, уменьшая чувствительность кконцентраторам напряжений, увеличивая работу пластической деформации придвижении трещины и снижая температуру верхнего и нижнего порога хладноломкости.

Отпуск при 550–600°С втечение 1–2 ч. почти полностью снимает остаточные напряжения, возникающие призакалке. Чаще длительность отпускасоставляет 1,0–6 ч., в зависимости от габаритов детали.

В результате всехпроведенных мероприятий возможно получение валов диаметром не ниже 150 мм.,ответственного назначения.

еще рефераты

Еще работы по материаловедению

Реферат по материаловедению

Расчёт калибров

29 Августа 2013

Реферат по материаловедению

Строительные материалы: портландцемент, лако-красочные материалы, строительные растворы, известь и др.

29 Августа 2013

Реферат по материаловедению

Конструкционные стали и сплавы

29 Августа 2013

Реферат по материаловедению

Расчёт параметров электродуговой ручной сварки

29 Августа 2013