📄Работа №78589
Тема: Разработка технологии химико-термической обработки инструментальной стали и изучение изменения ее свойств и структуры
Тип работы
Дипломные работы, ВКР
Предмет
металлургия
Объем:
141 листов
Год:
2020
Просмотров:
457
4900
руб.
🛒 Купить работу
Не подходит эта работа?
Закажите новую по вашим требованиям
Узнать цену на написание
Закажите новую по вашим требованиям
Представленный материал является образцом учебного исследования, примером структуры и содержания учебного исследования по заявленной теме. Размещён исключительно в информационных и ознакомительных целях.
Workspay.ru оказывает информационные услуги по сбору, обработке и структурированию материалов в соответствии с требованиями заказчика.
Размещение материала не означает публикацию произведения впервые и не предполагает передачу исключительных авторских прав третьим лицам.
Материал не предназначен для дословной сдачи в образовательные организации и требует самостоятельной переработки с соблюдением законодательства Российской Федерации об авторском праве и принципов академической добросовестности.
Авторские права на исходные материалы принадлежат их законным правообладателям. В случае возникновения вопросов, связанных с размещённым материалом, просим направить обращение через форму обратной связи.
Настоящий учебно-методический информационный материал размещён в ознакомительных и исследовательских целях и представляет собой пример учебного исследования. Не является готовым научным трудом и требует самостоятельной переработки.
📋 Содержание
ВВЕДЕНИЕ 10
1 ТЕОРЕТИЧЕСКОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ПО СПОСОБАМ 12
ХИМИКО-ТЕРМИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКИ И ОБЛАСТИ ПРИМЕНЕНИЯ 12
ИНСТРУМЕНТАЛЬНОЙ СТАЛИ 12
1.1. Классификация инструментальных сталей 12
1.2. Свойства инструментальной стали 16
1.3. Термическая обработка инструментальной стали 30
1.3.1. Отжиг 31
1.3.2. Закалка 33
1.3.3. Обработка холодом 34
1.3.4. Отпуск 36
1.4. Химико-термическая обработка инструментальной стали 39
1.4.1. Алитирование 40
1.4.2. Хромирование 41
1.4.3. Цементация 44
1.4.4. Борирование 46
1.4.5. Сульфидирование 48
1.4.6. Азотирование 49
1.4.7. Нитроцементация 57
1.5. Патентное исследование методов химико-термического упрочнения изделий из инструментальной стали 58
Вывод 68
2 МОДЕЛИРОВАНИЕ ПРОЦЕССОВ ЭЛЕКТРОДИНАМИКИ И ТЕПЛОПОТЕРЬ В
КАМЕРЕ ПРИ АЗОТИРОВАНИИ 71
2.1 Основные характеристики системы «индуктор - камера - образец» 71
2.2 Постановка задачи при моделировании процессов, происходящих при нагреве ТВЧ 74
2.3 Геометрическая модель системы «индуктор - камера - образец», граничные условия,
характеристики материалов 76
2.4 Решение задачи электродинамики и теплопроводности для системы «индуктор - камера -
образец» при обработке токами высокой частоты 80
Вывод 84
3 МЕТОДИКА И РЕЗУЛЬТАТЫ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ
ПРОЦЕССА ХИМИКО-ТЕРМИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКИ ИНСТРУМЕНТАЛЬНОЙ
СТАЛИ 86
3.1 Подготовка образцов, оснастки и осуществление процесса химико-термической
обработки 86
3.2 Исследование влияния азотирования на физико-механические свойства образцов 93
Вывод 104
4 ТЕХНОЛОГИЯ ХИМИКО-ТЕРМИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКИ ОБРАЗЦОВ ИЗ
ИНСТРУМЕНТАЛЬНОЙ СТАЛИ 106
Вывод 111
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 112
СПИСОК ИСПОЛЬЗУЕМОЙ ЛИТЕРАТУРЫ 114
ПРИЛОЖЕНИЕ 132
1 ТЕОРЕТИЧЕСКОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ПО СПОСОБАМ 12
ХИМИКО-ТЕРМИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКИ И ОБЛАСТИ ПРИМЕНЕНИЯ 12
ИНСТРУМЕНТАЛЬНОЙ СТАЛИ 12
1.1. Классификация инструментальных сталей 12
1.2. Свойства инструментальной стали 16
1.3. Термическая обработка инструментальной стали 30
1.3.1. Отжиг 31
1.3.2. Закалка 33
1.3.3. Обработка холодом 34
1.3.4. Отпуск 36
1.4. Химико-термическая обработка инструментальной стали 39
1.4.1. Алитирование 40
1.4.2. Хромирование 41
1.4.3. Цементация 44
1.4.4. Борирование 46
1.4.5. Сульфидирование 48
1.4.6. Азотирование 49
1.4.7. Нитроцементация 57
1.5. Патентное исследование методов химико-термического упрочнения изделий из инструментальной стали 58
Вывод 68
2 МОДЕЛИРОВАНИЕ ПРОЦЕССОВ ЭЛЕКТРОДИНАМИКИ И ТЕПЛОПОТЕРЬ В
КАМЕРЕ ПРИ АЗОТИРОВАНИИ 71
2.1 Основные характеристики системы «индуктор - камера - образец» 71
2.2 Постановка задачи при моделировании процессов, происходящих при нагреве ТВЧ 74
2.3 Геометрическая модель системы «индуктор - камера - образец», граничные условия,
характеристики материалов 76
2.4 Решение задачи электродинамики и теплопроводности для системы «индуктор - камера -
образец» при обработке токами высокой частоты 80
Вывод 84
3 МЕТОДИКА И РЕЗУЛЬТАТЫ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ
ПРОЦЕССА ХИМИКО-ТЕРМИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКИ ИНСТРУМЕНТАЛЬНОЙ
СТАЛИ 86
3.1 Подготовка образцов, оснастки и осуществление процесса химико-термической
обработки 86
3.2 Исследование влияния азотирования на физико-механические свойства образцов 93
Вывод 104
4 ТЕХНОЛОГИЯ ХИМИКО-ТЕРМИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКИ ОБРАЗЦОВ ИЗ
ИНСТРУМЕНТАЛЬНОЙ СТАЛИ 106
Вывод 111
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 112
СПИСОК ИСПОЛЬЗУЕМОЙ ЛИТЕРАТУРЫ 114
ПРИЛОЖЕНИЕ 132
📖 Введение
Обработкой металлов давлением подвергают примерно 90% стали и 60% цветных металлов. В процессе пластического деформирования металл приобретает не только требуемую форму, но и улучшенную структуру, а вместе с тем и повышенные механические свойства. Поэтому наиболее ответственные детали машин, подвергающиеся ударно-динамическим нагрузкам во время эксплуатации, изготавливают методами обработки давлением, которые являются основой машиностроения.
Способ обработки металлов давлением - штамповка - является высоко-производительным процессом и обеспечивает высокую точность формообразования поковок. Прогрессивный технологический процесс широко применяется в условиях массового и серийного производства современного машиностроения.
В настоящее время технология изготовления штампов является неотъемлемой частью массовых и серийных производств различных отраслей машиностроения. Эксплуатационные показатели штампов зависят от типа упрочняю¬щей обработки, например, термической (ТО) или химико-термической (ХТО), а также вида штамповки (листовой или объемной), качества отделки рабочих поверхностей пуансонов и матриц, режимов обработки (статического или динамического). Технология изготовления наряду с правильным выбором штамповой стали является одним из важнейших факторов, определяющих стойкость инструментов.
Необходимость повышения стойкости штампов привела к разработке новых методов металлообработки, к применению твердосплавных материалов (покрытий) для рабочих элементов штампов. В настоящее время в различный отраслях промышленности широко применяется поверхностная ТО с высокой скоростью нагрева. Из способов ХТО штамповых инструментов наиболее широкое распространение получили цементация, азотирование, цианирование, борирование и хромирование, позволяющие получить более высокую поверхностную твердость, износостойкость, теплостойкость и усталостную прочность, прокаливаемость, а также физические и морфологические свойства обработанных изделий. Способы улучшения различны в зависимости от состава стали и типа инструментов. Из этого следует, что усовершенствование существующих методов ТО и ХТО поможет достичь высоких эксплуатационных свойств изделий.
Цель работы заключается в разработке и исследовании технологии поверхностного упрочнения образцов из инструментальной стали, для придания им высоких физико-механических свойств.
Задачи приведенные ниже обеспечивают достижение поставленной цели:
1. Анализ существующих технологий, улучшающих эксплуатационные свойства изделий;
2. Моделирование методом конечных элементов процесса химико-термической обработки образцов из инструментальной стали;
3. Разработка методики и плана проведения экспериментальных работ;
4. Исследование структуры и физико-механических свойств упрочненных образцов;
5. Разработка моделей изменения твердости в зависимости от температуры и продолжительности обработки токами высокой частоты, а также от со¬держания азота в поверхностном слое образцов.
Способ обработки металлов давлением - штамповка - является высоко-производительным процессом и обеспечивает высокую точность формообразования поковок. Прогрессивный технологический процесс широко применяется в условиях массового и серийного производства современного машиностроения.
В настоящее время технология изготовления штампов является неотъемлемой частью массовых и серийных производств различных отраслей машиностроения. Эксплуатационные показатели штампов зависят от типа упрочняю¬щей обработки, например, термической (ТО) или химико-термической (ХТО), а также вида штамповки (листовой или объемной), качества отделки рабочих поверхностей пуансонов и матриц, режимов обработки (статического или динамического). Технология изготовления наряду с правильным выбором штамповой стали является одним из важнейших факторов, определяющих стойкость инструментов.
Необходимость повышения стойкости штампов привела к разработке новых методов металлообработки, к применению твердосплавных материалов (покрытий) для рабочих элементов штампов. В настоящее время в различный отраслях промышленности широко применяется поверхностная ТО с высокой скоростью нагрева. Из способов ХТО штамповых инструментов наиболее широкое распространение получили цементация, азотирование, цианирование, борирование и хромирование, позволяющие получить более высокую поверхностную твердость, износостойкость, теплостойкость и усталостную прочность, прокаливаемость, а также физические и морфологические свойства обработанных изделий. Способы улучшения различны в зависимости от состава стали и типа инструментов. Из этого следует, что усовершенствование существующих методов ТО и ХТО поможет достичь высоких эксплуатационных свойств изделий.
Цель работы заключается в разработке и исследовании технологии поверхностного упрочнения образцов из инструментальной стали, для придания им высоких физико-механических свойств.
Задачи приведенные ниже обеспечивают достижение поставленной цели:
1. Анализ существующих технологий, улучшающих эксплуатационные свойства изделий;
2. Моделирование методом конечных элементов процесса химико-термической обработки образцов из инструментальной стали;
3. Разработка методики и плана проведения экспериментальных работ;
4. Исследование структуры и физико-механических свойств упрочненных образцов;
5. Разработка моделей изменения твердости в зависимости от температуры и продолжительности обработки токами высокой частоты, а также от со¬держания азота в поверхностном слое образцов.
✅ Заключение
Разработка новых и совершенствование существующих методов упрочнения инструментальной стали, является одним из ряда актуальных направлений в области материаловедения. Проведенный литературный обзор, указывает о том, что процесс ХТО позволяет в значительной мере повысить эксплуатационные характеристики изделий. Однако многие технологии по повышению физико-механических свойств требуют огромных затрат на специальное оборудование и разработку технологии по их достижению.
Предложенный вариант направлен на повышение физико-механических свойств и попутное снижение затрат на процесс азотирования. Предложенный способ не требует больших затрат на дорогостоящее оборудование и материалы, что существенно удешевляет стоимость технологии.
Результатом выполнения данной исследовательской работы являются результаты:
1. Моделирование МКЭ и решение самосогласованной краевой задачи электродинамики и теплопроводности в системе «индуктор - камера - образец» способствует наглядному представлению и адекватному анализу стационарных и динамических состояний изучаемого объекта. Были получены решения задач электродинамики и теплопроводности для системы «индуктор - камера - образец», которые описывают кинетику нагрева при операции ХТО образца из быстрорежущей стали. Было установлено, что относительно поверхности изделия в участках рабочей части образца наблюдается повышенная температура, и она выше температуры остальной поверхности на 200 - 300 °С, что подтверждается реальными экспериментами. При значении тока 3,2 кА, наибольший градиент скорости нагрева образцов в моделировании и в реальном эксперименте составляла 400 °С, а при выходе на режим выдержки разница температур не превышала 200 °С.
Поправка, введенная с целью учета тепловых потерь, показала, что она имеет зависимость от силы тока и температуры, т.е. чем выше температура, тем выше потери возникают в нагреваемой системе. Начиная с начального момента нагрева, тепловые потери быстро увеличиваются до 1500 °С, после этой точки наблюдается незначительный рост тепловых потерь.
Установленная закономерность в градиентах температур очень важна, т.к. при реальном эксперименте не представляется возможным определить истинную температуру в рабочей зоне камеры.
2. В ходе выполненной данной исследовательской работы, было установлено, что процесс термохимической обработки образцов из быстрорежущей стали в камере приводит к заметному упрочнению поверхностного слоя образцов. Также было установлено, что в результате термохимической обработки на поверхности изделия образуются нитриды металлов, имеющие высокую твердость. На твердость поверхностного слоя оказывало влияние температура и продолжительность выдержки образцов. Диапазон температур для ХТО составлял от 1100 °С до 1400 °С при неизменном времени выдержки при заданной температуре. По полученным данным твердости можно, заключить, что высокая твердость (> 20 ГПа) наблюдается при температурном диапазоне 1250-1400 °С. Данная температура является оптимальной для повышения физико¬механических свойств быстрорежущей стали марки Р6М5.
Предложенный вариант направлен на повышение физико-механических свойств и попутное снижение затрат на процесс азотирования. Предложенный способ не требует больших затрат на дорогостоящее оборудование и материалы, что существенно удешевляет стоимость технологии.
Результатом выполнения данной исследовательской работы являются результаты:
1. Моделирование МКЭ и решение самосогласованной краевой задачи электродинамики и теплопроводности в системе «индуктор - камера - образец» способствует наглядному представлению и адекватному анализу стационарных и динамических состояний изучаемого объекта. Были получены решения задач электродинамики и теплопроводности для системы «индуктор - камера - образец», которые описывают кинетику нагрева при операции ХТО образца из быстрорежущей стали. Было установлено, что относительно поверхности изделия в участках рабочей части образца наблюдается повышенная температура, и она выше температуры остальной поверхности на 200 - 300 °С, что подтверждается реальными экспериментами. При значении тока 3,2 кА, наибольший градиент скорости нагрева образцов в моделировании и в реальном эксперименте составляла 400 °С, а при выходе на режим выдержки разница температур не превышала 200 °С.
Поправка, введенная с целью учета тепловых потерь, показала, что она имеет зависимость от силы тока и температуры, т.е. чем выше температура, тем выше потери возникают в нагреваемой системе. Начиная с начального момента нагрева, тепловые потери быстро увеличиваются до 1500 °С, после этой точки наблюдается незначительный рост тепловых потерь.
Установленная закономерность в градиентах температур очень важна, т.к. при реальном эксперименте не представляется возможным определить истинную температуру в рабочей зоне камеры.
2. В ходе выполненной данной исследовательской работы, было установлено, что процесс термохимической обработки образцов из быстрорежущей стали в камере приводит к заметному упрочнению поверхностного слоя образцов. Также было установлено, что в результате термохимической обработки на поверхности изделия образуются нитриды металлов, имеющие высокую твердость. На твердость поверхностного слоя оказывало влияние температура и продолжительность выдержки образцов. Диапазон температур для ХТО составлял от 1100 °С до 1400 °С при неизменном времени выдержки при заданной температуре. По полученным данным твердости можно, заключить, что высокая твердость (> 20 ГПа) наблюдается при температурном диапазоне 1250-1400 °С. Данная температура является оптимальной для повышения физико¬механических свойств быстрорежущей стали марки Р6М5.
ИЛИ
Поиск аналога
📕 Список литературы
🛒 Оформить заказ
⚡ Работу высылаем в течении 5 минут после оплаты.