Введение 4
1 Анализ состояния предметной области. Цель и задачи исследования 5
1.1 Постановка цели и задач исследования 5
1.2 Обзор основной нормотехнической документации 5
1.3 Патентный поиск 8
2 Теоретические основы термической обработки материалов 13
2.1 Виды и способы термической обработки 13
2.2 Влияние легирующих элементов на свойства сталей 16
3 Исследуемый материал 21
3.1 Обоснование выбора материала 21
3.2 Структурные особенности стали 20Х13 при термической обработке .. 23
3.3 Режимы термической обработки и свойства стали 20Х13,
регламентируемые нормативной документацией 25
4 Методы исследования 31
4.1 Микроструктурное исследование 31
4.2 Исследование механических свойств 33
4.2.1 Испытание на равноостное растяжение 33
4.2.2 Исследование твёрдости 36
4.2.3 Испытание на ударную вязкость 37
5 Экспериментальная часть 40
5.1 Образцы и оборудование для исследования 40
5.2 Результаты эксперимента 45
Заключение 57
Список используемых источников 59
Приложение А 2
Арматуростроение - это одна из важных отраслей машиностроения, производящая запорную и регулирующую арматуру.
В арматуростроении всегда возникает потребность в соединении различных элементов. Сделать это можно в том числе и при помощи специальных металлических крепежных изделий [1].
Поскольку крепёжные изделия являются универсальной и востребованной продукцией в арматуростроении, их ассортимент отличается огромным разнообразием. Условно все крепёжные изделия делятся на следующие группы:
- резьбовые, повышенной прочности;
- крепежи массового использования;
- крепежи для безударной фиксации и одностороннего монтажа;
- элементы для герметичных конструкций;
- фиксаторы, необходимые для крепления полимерных композитных материалов.
В представленные группы входят всеми известные гайки, дюбели, анкеры, шурупы, саморезы, заклепки, шпильки, шайбы и другие. Полный перечень всех изделий представлен в ГОСТ 27017 - 86 [2].
Сырьё для производства крепёжных изделий - различные виды металлов, такие как сталь, алюминий, медь, но для ответственных конструкций рекомендуемым материалом остаётся легированные стали и их сплавы [3].
Вся крепежная арматура разрабатывается и изготавливается с учетом оказываемого механического воздействия. Таким образом, все шпильки, болты и прочие приспособления, предназначенные для крепежа, должны быть в достаточной степени прочными и надежными [4].
В настоящие время перед инженерами-конструкторами стоят задачи повышения качества продукции, ее эксплуатационных свойств, для использования при монтаже высоконагруженных конструкций.
Был проведен обзор и анализ нормотехнической документации, регламентирующей применение крепёжных изделий в арматуростроении. Проведено патентное исследование, которое показало, что ведутся активные разработки способов повышения ресурса работы стальных крепёжных изделий, крепёжных изделий, используемых в атомной энергетической промышленности, крепёжных изделий из высокопрочных легированных сталей, изделий применяемых в арматуростроении, а также изделий, применяемых для изготовления высоконагруженного резьбового крепежа в области использования теплового и атомного оборудования и сосудов давления и другого оборудования. Большое внимание удаляется термической обработке, как способу повышения свойств материалов.
Были рассмотрены основные виды и способы термической обработки сталей и выявлены отличительные особенности термообработки, легированной и нелегированной стали.
Обоснован выбор исследуемого материала стали 20Х13 и его структурные особенности при термической обработке. Были рассмотрены и проанализированы стандарты по термообработке исследуемой стали.
Проведены исследования зависимости свойств от режимов закалки и отпуска. Выявлены рекомендуемый режимы термической обработки стали 20Х13 для шайб, шпилек и шпинделей. Термическая обработка заготовок для шайб диаметром 22 миллиметра проводится по ГОСТ 18968-78, которая включает в себя закалку при 1050 °C, выдержку от 1 до 1,5 минуты на 1 миллиметр толщины, но не менее 20 минут, с охлаждением в масле, и отпуск при 720 °C, выдержку от 3 до 3,5 минуты на 1 миллиметр толщины, но не менее 2 часов, с охлаждением на воздухе. Термическая обработка заготовок для шпилек диаметром 22 миллиметра проводится по ГОСТ 20700 - 75, которая включает в себя закалку при 1050 °C, выдержку от 1 до 1,5 минуты на 1 миллиметр толщины, но не менее 20 минут, с охлаждением в масле, и отпуск от 620 до 650 °C, выдержку от 3 до 3,5 минуты на 1 миллиметр толщины, но не менее 2 часов с охлаждением на воздухе. Термическая обработка заготовок для шпинделей диаметром 75 миллиметра проводится по СТ ЦКБА 016 - 2005, которая включает в себя закалку при 1050 °C, выдержку от 1 до 1,5 минуты на 1 миллиметр толщины, но не менее 20 минут, с охлаждением в масле, и отпуск при 720 °C, выдержку от 3 до 3,5 минуты на 1 миллиметр толщины, но не менее 2 часов, с охлаждением на воздухе. Исходя из исследований была разработана карта технологического процесса термической обработки, приведённая в приложении Б.
