Термічна обробка підвісок

РЕФЕРАТ Пояснювальна записка до дипломної роботи містить: 57 с., 13 рис., 15табл., 28 джерел.

Об'єкт розробки — технологія термічної обробки підвісок гальмівно-важільної передачі електровозу, виготовлених із сталі 45.

Мета роботи — удосконалення технології термічної обробки заданого виробу для отримання підвищених механічних властивостей та якості готової продукції.

Метод дослідження — заміна конструкційної вуглецевої сталі 45 на низьколеговану якісну сталь 40Х, зміна режимів термічної обробки.

Запропоновано замінити старе обладнання, що використовується для проведення заданого технологічного процесу, на нове, з меншими енерговитратами, простішим у використанні та обслуговуванні.

ГАРЯЧЕ ШТАМПУВАННЯ, ПОКОВКА, ПІДВІСКИ, ШАХТНА ЕЛЕКТРОПІЧ, ТЕРМІЧНА ОБРОБКА, РЕЖИМИ, МЕХАНІЧНІ ВЛАСТИВОСТІ.

ВСТУП.

1. АНАЛІТИЧНА ЧАСТИНА.

1.1 Опис виробу.

1.2 Характеристика матеріалу для виготовлення підвісок.

1.3 Технологія та режими термічної обробки підвісок ГВП.

1.4 Контроль якості.

1.5 Використане обладнання.

2. ОСНОВНА ЧАСТИНА. УДОСКОНАЛЕННЯ ТЕХНОЛОГІЇ ТЕРМІЧОЇ ОБРОБКИ ПІДВІСОК ГВП.

2.1 Загальні відомості про термічну обробку, що використовується у проекті.

2.2 Перетворення, що протікають у сталі під час термічної обробки.

2.3 Вплив вуглецю, хрому та постійних домішок на властивості сталі.

2.4 Вибір обладнання для проведення термічної обробки.

2.5 Хімічні процеси, що проходять під час нагрівання деталей в печі.

3. ЕКОНОМІЧНА ЧАСТИНА.

3.1 Визначення витрат на матеріали.

3.2 Визначення об'єму амортизаційних відрахувань.

3.3 Розрахунок витрат на поточний ремонт обладнання.

3.4 Розрахунок витрат на енергетичні ресурси, масло та технічну воду.

3.5 Розрахунок витрат на основну заробітну плату та нарахувань на неї.

3.6 Розрахунок накладних витрат.

3.7 Кошторис витрат на термічну обробку підвісок ГВП.

4. ОХОРОНА ПРАЦІ.

4.1 Аналіз умов праці.

4.2 Виробнича санітарія та гігієна праці.

4.3 Техніка безпеки.

4.4 Пожежна профілактика ВИСНОВКИ ПЕРЕЛІК ПОСИЛАНЬ.

ВСТУП Завод ДП НВК «Електровозобудування» — державне підприємство, яке забезпечує своєю продукцією Україну та країни СНД. Завод був практично монополістом на найбільшому економічному полі у виробництві промислових електровозів. Мав усі підстави перебувати сьогодні в лідерах електровозобудування.

Це підприємство було засноване у 1934 році та спочатку виконувало функції паровозоремонтної бази України. У 1958 р. виробнича база підприємства змінює свій профіль на випуск тягових агрегатів та промислових електровозів. А 1 квітня 1958 р. завод випустив перший промисловий електровоз, який отримав маркування Д100. В цілому, у 1958 році виробництво було повністю переведене на випуск промислових електровозів, у зв’язку з чим цей завод був перейменований у «Дніпропетровський електровозобудівний завод». В 60-х роках минулого століття завод по особистому проекту побудував електровози ВЛ26 та ВЛ41. За всю історію підприємства з його конвеєрів зійшло дванадцять типів електровозів та тягових агрегатів, різні типи шахтних електровозів і автомотрис, які були розроблені інженерами заводу. Ці машини на даний момент успішно використовуються на залізничному транспорті та гірській промисловості України, Росії, Казахстану, Монголії і т.д. Також, паралельно з випуском всіх вищезазначених агрегатів, цей завод приймає різні замовлення від інших галузей промисловості. Він також займається випуском виробів спеціального призначення, які крім країн СНД поставляються в країни Ближнього Сходу, Азію, Південну Америку та ін.

У 1993 році, у зв’язку із розвитком у нашій країні власної бази по виробництву магістральних електровозів, внаслідок структурної реорганізації до складу до складу підприємства увійшов Український науково-дослідний інститут Електровозобудування (УЕлНДІ). З цього моменту завод отримує статус «науково-виробничого об'єднання електровозобудування» та перейменовується в НВО «ДЕВЗ». У 1993;1995 роках на НВО «ДЕВЗ» був розроблений та випущений перший український магістральний електровоз ДЕ1. Пізніше, разом з німецькою корпорацією Siemens цей завод спроектував та освоїв серійний випуск електровозів змінного струму ДС3, який у перспективі повинен замінити чехословацьку модель ЧС4.

З 1995 р. завод приступив до випуску магістральних електровозів. Але за весь період їх виробництва невиправдано мало уваги приділялось на показники надійності та відповідності технічним умовам (вимоги «Укрзалізниці» та МВК). Результат — електровози даного типу так і не поставлені в серійне виробництво. Конструкторська і технологічна документація вимагають суттєвого доопрацювання.

Протягом останніх 18-и років на підприємстві не проводилась модернізація промислових електровозів, не виконувались вимоги замовників по їх вдосконаленню — внаслідок чого ринки збуту практично були втрачені. Утворену нішу зайняли інші виробники. Випуск промислових електровозів освоїв Новочеркаський електровозобудівний завод (Росія), з’явились пропозиції по виробництву та закупкам в Китаї. Завод перестав також випускати шахтні електровози і стартери ПСУ-2. Електровози даного типу активно використовувались в Україні та країнах співдружності.

Ось і виходить, що витративши шалені кошти (приблизно 1 млрд грн.) на розробку та виготовлення досвідчених магістральних електровозів на базі ДП «НВК», «Укрзалізниця» змушена купувати подібні електровози за кордоном (Грузія). А чи було ким-небудь прораховано, якими втратами валютних надходжень ця «економічна політика» обернулась для заводу, міста, країни? Для підприємства ж пагубність цього курсу відбилася на портфелі заказів, а далі по ланцюгу — об'ємі реалізації, податкових відрахувань, завантаженості робітників та зарплаті.

Тому метою даного дипломного проекту є вдосконалення технології термічної обробки підвісок ГВП, шляхом зміни марки сталі та режимів ТО, що в свою чергу дає нам можливість отримати більші показники якості готової продукції.

1. АНАЛІТИЧНА ЧАСТИНА.

1.1 Опис виробу У сучасних галузях виробництва практично повсюдно використовуються поковки — чорнові деталі, за своїми розмірами і формі дуже близькі до необхідного виробу. Вони виготовляються для мінімізації витрат процесу обробки, оскільки їх виробництво дозволяє зменшити стружкові відходи, кількість операцій і часу на обробні операції. Чим точніше поковка відповідає майбутній деталі, тим більше виходить економія засобів при її подальшій обробці.

Метод штампування дуже вигідний, оскільки одночасно виготовляються декілька поверхонь деталі. Крім того, штамповані поковки відрізняються гладкістю і однорідністю оброблюваної поверхні і точними розмірами. Це дозволяє понизити витрати на матеріал і забезпечити високу продуктивність. Крім того, штампуванням можна виготовляти поковки з металопрокату абсолютно будь-якого перетину, заздалегідь нарізаного за розміром штампу.

Одними із видів такої поковки являються і підвіски, які виготовляють в ковальському цеху на ДП НВК «Електровозобудування» .

Підвіска — це одна із відповідальних деталей гальмівної важільної передачі (ГВП) електровозу (рисунок 1.1), яка шарнірно закріплена до кронштейнів, приварених на кінцевих брусах рами візка або до кронштейнів, приварених на боковинах рами візка.

Рисунок 1.1 — Ескіз підвіски ГВП Через фігурні вирізи в нижній частині підвісок проходять поперечки, попарно пов’язані з правою і лівою зовнішніх сторін кожної колісної пари тягою. Гальмівна система важеля служить для реалізації гальмівних зусиль, забезпечення безпеки руху і повної зупинки електровоза. Схема ГВП наведена на рисунку 1.2.

1 — підвіска; 2 — черевик; 3 — колодка; 4 — муфта; 5 — балансир; 6 — гальмівний циліндр; 7 — тяга; 8 — сережки; 9 — тяга; 10 — валик з підвісками; 11 — болт; 12 — гайка.

Рис. 1.2 — Схема гальмівної важільної передачі електровоза До конструкційних машинобудівних сталей пред’являється цілий ряд загальних вимог: висока конструктивна міцність, яка визначається оптимальним поєднанням міцності, в’язкості і пластичності, необхідні технологічні властивості - хороша оброблюваність тиском, різанням і зварюваність, мала схильність до утворення тріщин, викривлення, зневуглецювання при термічній обробці, а також інколи і спеціальні властивості: зносостійкість, теплостійкість, певні фізичні властивості і т.д.

1.2 Характеристика матеріалу для виготовлення підвісок Підвіски ГВП виготовляють методом гарячого штампування з урахуванням припусків для механічної обробки із конструкційної вуглецевої якісної сталі 45, хімічний склад якої приведено у таблиці 1.1.

Таблиця 1.1 — Хімічний склад сталі 45, % [1].

Перевагою вуглецевих сталей є їх дешевизна, доступність через відсутність у складі дефіцитних легуючих елементів, хороша технологічність при термічній обробці і обробці різанням, мала схильність до відпускної крихкості та ін. Технологічні властивості сталі 45 приведено у таблиці 1.2.

Таблиця 1.2 — Технологічні властивості сталі 45[2].

Вуглецева сталь 45 в покращеному стані - після гартування та високого відпуску на структуру сорбіт — досягає високої ударної в’язкості, пластичності і, як наслідок, малої чутливості до концентраторів напруги.

Деталі гальмівної системи, які працюють не тільки при статичних, але і в умовах циклічних та ударних навантажень, концентрації напруг, а в деяких випадках і при знижених температурах, повинні максимально володіти необхідними механічними властивостями.

Високі механічні властивості при покращенні можливі лише при забезпеченні потрібною прогартованістю, яка слугує найважливішою характеристикою при виборі сталі.

Для відповідальних деталей щоб забезпечити максимальну надійність необхідна максимальна, а краще наскрізна, прогартованість. Збільшення прогартованості можна досягти різними способами: збільшення розмірів зерна аустеніту, зменшення вмісту шкідливих домішок, підвищення хімічної однорідності і т.п. Але найсильніше збільшує прогартованість введення в сталь легуючих елементів.

Недоліком вуглецевої сталі 45 являється мала прогартованість і через це вона не забезпечує необхідних вимог по властивостям деталей перерізом більше 10…20 мм, вона також не придатна для застосування у відповідальних деталях різних перетинів, де необхідні підвищенні механічні властивості та цілий ряд інших спеціальних властивостей. Слідуючи з цього я пропоную замінити сталь 45 на низьколеговану вуглецеву сталь 40Х, яка також відноситься до дешевих конструкційних матеріалів. Хімічний склад цієї сталі наведено у таблиці 1.3.

Таблиця 1.3 — Хімічний склад сталі 40Х, % [1].

Після гартування з високим відпуском поковки перетином до 100 мм із сталі 40Х мають кращі механічні властивості (таблиця 1.4) та прогартованість (рисунок 1.3), ніж сталь 45.

Таблиця 1.4 — Механічні властивості сталі 40Х та 45 [3].

Рисунок 1.3 — Полоси прогартованості сталі 45(а) та сталі 40Х (б) [4].

У результаті заміни марки сталі 45 на 40Х після термічної обробки ми отримаємо кращі властивості матеріалу, а отже і підвищену якість заданого виробу.

1.3 Технологія та режими термічної обробки підвісок ГВП При визначенні режимів термічної обробки слід враховувати технологічні та механічні властивості сталі, технічні вимоги до виробів в умовах їх експлуатації, особливості марки сталі. Мета термічної обробки поковок для машинобудування — отримати механічні та інші властивості, відповідні вимогам технічних умов.

Перед початком проведення термічної обробки робиться візуальний контроль 100% деталей на відсутність тріщин.

Гартування підвісок проводиться в шахтній електропечі Ц-105А. Деталі разом із зразком O 70 мм і l=150 мм завантажуються в піч у спеціальному пристосуванні (рисунок 1.4) за допомогою крану — балки Q=2 т; витримують 2 години при температурі 830 — 840 ⁰С. Охолодження відбувається у воді. За допомогою крану — балки переносять вироби у шахтну електропіч ПН — 34 М для відпуску, витримують 2,5 години при 580−590 ⁰С. Охолоджують на повітрі.

Рисунок 1.4 — Спеціальне пристосування для завантаження деталей в піч Графік режиму термічної обробки підвісок приведено на рисунку 1.5.

Рисунок 1.5 — Графік режиму термічної обробки підвісок.

По завершенню ТО проводять контроль якості деталей, а потім їх відправляють на механічну обробку для надання виробу кінцевих заданих розмірів.

1.4 Контроль якості.

Після охолодження деталей до температури цеху проводиться контроль зразка на: твердість — твердомір ТК-1 — на попередньо підготовленій (зачищеній) поверхні верстатом ВК- 200; на ударну в’язкість — маятниковий копер КМ-30; пластичність та межу витривалості - розривна машина МУП-100.

По закінченню проведення термічної обробки повинні отримати такі механічні властивості зразка: НВ 200…262 (ГОСТ 9013−59), KCU? 50 Дж/см² (ГОСТ 9454−78), д? 15% (ГОСТ 1497−73), у_в? 685 МПа.

Відхилення понад допустимі норми по структурі, твердості та механічним властивостям можуть бути виправленими вторинною термічною обробкою. Поверхневі дефекти штампованих поковок можна вважати виправними, якщо глибина їх не перевищує половини припуску на обробку різанням.

При термічній обробці можуть виникнути дефекти, пов’язані як з режимом і технологією її проведення, так і з особливостями конструкції виробу. Одні види дефектів не поправні (тріщини, перепал), інші можна усунути послідуючими операціями механічної або термічної обробки.

У процесі гартування можуть виникнути такі дефекти:

— гартівні тріщини (зовнішні або внутрішні) утворюються в наслідок високих внутрішніх напружень і є не виправним браком. Тріщини виникають при неправильному нагріванні (перегрів) та великій швидкості охолодження деталей, а також якщо у виробі є різкі переходи від тонких перерізів до товстих, виступи, загострені кути і т. п;

— деформація — зміна форми та розмірів виробу, відбувається в результаті внутрішніх напружень, викликаних нерівномірним охолодженням і фазовими перетвореннями;

— викривлення — несиметрична деформація виробів. Викривлення можуть спричинити ті ж самі причини, що і деформацію, а також при неправильному положенні деталі при зануренні в гартівне середовище;

— перегрів та недогрів під гартування призводить до зниження механічних властивостей. Виправляють ці дефекти відпалом, після якого знову проводять гартування;

— окислення та зневуглецювання поверхні виробу попереджається суворим дотриманням режиму термічної обробки та нагріванням в середовищі нейтральних газів (азот, аргон).

1.5 Використане обладнання Для проведення термічної обробки підвісок було застосовано таке обладнання: 1. Для гартування — шахтна електропіч (таблиця 1.5).

Таблиця 1.5 — Характеристики шахтної електропечі Ц-105А [7].

Шахтна електропіч типу Ц-105А приведена на рисунку 1.6.

2. Для охолодження — водний гартівний бак із системою для перемішування рідини повітрям (борбатаж), габаритні розміри 1500?2500 мм, вертикальний, циліндричний;

3. Для відпуску — шахтна електропіч типу ПН-34М (таблиця 1.6).

Таблиця 1.6 — Характеристики шахтної електропечі типу ПН-34М[7].

Відпускна шахтна електропіч ПН-34М наведена на рисунку 1.7.

1-муфель реторти; 2-підставка реторти; 3-пристосування (корзина) для завантаження деталей; 4-підставка під корзину; 5-трубка для введення карбюризатора; 6-трубка для введення газу; 7-вентилятор; 8-пружина сальника; 9-нажимна гайка; 10-кулькові підшипники валу вентилятора; 11-електродвигун вентилятора; 12-електродвигун для підйому кришки; 13-болт для кріплення кришки; 14-кришка реторти; 15-прокладка кришки; 16-болт; 17-електроопір; 18-кладка печі; 19-термопара.

Рисунок 1.6 — Шахтна електропіч Ц-105А.

1- кожух печі; 2- кришка печі; 3- вентилятор; 4- жаротривка корзина; 5- ніж пісочного затвору; 6- нагрівачі печі.

Рисунок 1.7 — Шахтна електропіч ПН-34М з примусовою циркуляцією повітря.

4. Для транспортування деталей — кран-балка Q = 2 т.

2. ОСНОВНА ЧАСТИНА. УДОСКОНАЛЕННЯ ТЕХНОЛОГІЇ ТЕРМІЧОЇ ОБРОБКИ ПІДВІСОК ГВП.

2.1 Загальні відомості про термічну обробку, що використовується у проекті.

Під термічною обробкою розуміють комплекс операцій нагрівання й охолодження сплаву, які здійснюються за певним режимом з метою зміни його будови та отримання заданих властивостей.

Основою термічної обробки є зміна структурно-фазового складу дислокаційної структури сплаву, яка може бути досягнута шляхом використання таких ключових факторів, як наявність в ньому алотропічних перетворень або залежного від температури обмеження взаємного розчинення компонентів.

Фундаментальною основою технології термічної обробки, що гарантує отримання очікуваних результатів, є її режим. Він включає в себе наступні елементи: температуру нагрівання, швидкість нагріву до заданої температури, час витримки при цій температурі та швидкість охолодження. Конкретні величини, що характеризують кожний з елементів режиму термообробки, залежить від хімічного складу оброблюваного сплаву, розміру деталі та цільового призначення виконуваного виду термічної обробки. Варіюючи ці величини, можна істотно змінювати фазову та дислокаційну структури сплаву і надавати йому задані властивості.

Від температури нагріву залежать характер перетворень, що відбуваються в сплаві, та сама можливість отримання після термообробки необхідної структури. Вона вибирається в залежності від хімічного складу сталі та цілі використаної термічної обробки.

Швидкість нагріву вибирається таким чином, щоб забезпечити мінімальні втрати часу на нагрів, і в той же час її величина повинна виключити виникнення в оброблюваної деталі небезпечних термічних напружень, які можуть призвести до викривлення і розтріскування деталі, що спостерігається при занадто швидкому нагріванні. Швидкість нагріву залежить від теплопровідності оброблюваного сплаву, яка, в свою чергу, визначається його хімічним складом.

Час витримки деталі по досягненню заданої температури повинен бути достатнім для її прогріву від поверхні до серцевини у найбільшому перетині, а також для повного завершення в сплаві тих, що мають дифузійний характер структурно — фазових перетворень, які повинні відбуватися в ньому при заданій температурі.

Швидкість охолодження при термічній обробці є дуже важливим елементом, від якого залежать особливості отриманої сплавом фазової та дислокаційної структури. Вона повинна бути достатньою для протікання в сплаві необхідних перетворень, але не надто великою, щоб уникнути небезпечних термічних та фазових напружень, які можуть викликати розтріскування або деформацію (викривлення) деталі.

По технології виготовлення підвісок для отримання заданих механічних властивостей були обрані такі види термічної обробки, як гартування та високий відпуск.

Подвійна термічна обробка сталі, яка складається із гартування та наступного високотемпературного відпуску (при 500 — 670 ⁰С), називається покращенням.

Покращенню підлягають середньовуглецеві (0,3 — 0,5%С) конструкційні сталі, до яких пред’являються високі вимоги по межі витривалості та ударній в’язкості. Покращення значно підвищує конструктивну міцність сталі, зменшуючи чутливість до концентраторів напруження, збільшує роботу розвитку тріщини та знижує температуру порогу холодноламкості. Однак зносостійкість покращеної сталі внаслідок зниження твердості не висока.

Гартування — це ТО, яка полягає у нагріві сталі до температури, що перевищує температуру фазових перетворень, витримці при цій температурі та подальшому охолодженні зі швидкістю, яка перевищує критичну мінімальну швидкість охолодження. Основною метою гартування є отримання високої твердості, зміцнення. В основі гартування лежить аустенітно — мартенситне перетворення.

Оптимальний інтервал гартівних температур вуглецевої сталі представлений на рисунку 2.1.

Рисунок 2.1 — Інтервал оптимальних температур для гартування вуглецевих сталей Для досягнення максимальної твердості при гартуванні прагнуть отримати мартенситну структуру. Мінімальна швидкість охолодження, яка необхідна для переохолодження аустеніту до мартенситного перетворення, називається критичною швидкістю гартування. Швидкість охолодження визначається видом охолоджуючого середовища.

Вибір конкретного гартівного середовища визначається видом виробу. Наприклад, для підвісок із сталі 45 використовується вода з температурою 20 — 30 ⁰С, а для сталі 40Х — вода — масло 20 — 50 ⁰С.

Важливими характеристиками сталі, необхідними для призначення технологічних режимів гартування, являються загартовуваність та прогартованість. Загартовуваність характеризує здатність сталі до підвищення твердості при гартуванні і залежить головним чином від вмісту вуглецю в сталі. Загартовуваність оцінюють по твердості поверхневого шару стального зразка після гартування.

Прогартованість характеризує здатність сталі загартовуватись на необхідну глибину. Прогартованість оцінюється по відстані від поверхні виробу до шару, в якому міститься не менше 50% мартенситу. Залежить прогартованість від критичної швидкості охолодження: чим менша критична швидкість гартування, тим вище прогартованість. На прогартованість також впливає хімічний склад сталі, характер гартівного середовища, розмір та форма виробу та інші фактори.

Прогартованість деталей із середньо вуглецевої сталі при гартуванні в маслі нижче, ніж при гартуванні в воді. Прогартованість різко зменшується із збільшенням розмірів заготівки.

Стан загартованих деталей відрізняється дуже сильною не рівноважною структурою. Це обумовлено підвищеною концентрацією вуглецю у твердому розчині, високою густиною дефектів кристалічної будови, а також внутрішнім напруженням. Із-за цього загартована сталь хоч і володіє високою міцністю та твердістю, одночасно з цим має практично нульовий запас в’язкості. Ударні навантаження можуть викликати швидке руйнування деталі. Тому завжди гартування деталі підлягає додатковій термообробці - відпуску.

Відпуск — це заключна операція ТО сталі, яка полягає в нагріві нижче температури перлітного перетворення (727 ⁰С), витримці та подальшому охолодженні. При відпуску формується кінцева структура сталі. Метою відпуску являється отримання заданого комплексу механічних властивостей сталі, а також повне або часткове усунення гартівних напружень.

Високий відпуск проводять при 440 — 650 ⁰С для досягнення оптимального поєднання прочностних, пластичних та в’язких властивостей. Структура сталі представляє собою однорідний сорбіт відпуску із зернистою будовою цементиту. Високотемпературний відпуск застосовується для конструктивних сталей, деталі з яких підлягають дії високих напруг та ударних навантажень.

Відпуск легованих сталей проводять при більш високих температурах, ніж вуглецевих, щоб прискорити дифузію легуючих елементів. Хром являється одним із тих легуючих компонентів, які затрудняють процес розпаду мартенситу при нагріві. При однаковій температурі відпуску міцність та пластичність легованих сталей вища, ніж у вуглецевих.

Так як у проекті було запропоновано замінити сталь 45 на 40Х для виготовлення підвісок, то, слідуючи з цього, ми змінюємо і сам технологічний процес термічної обробки.

Після гарячого штампування вже готові поковки завантажуємо в піч Ц-105А у спеціальному пристосуванні, деталі розміщуємо у вертикальному положенні для рівномірного прогріву. Далі нагріваємо підвіски до температури 850 ⁰С та витримуємо при цій температурі 2 години. Для забезпечення кращої прогартованості та уникнення внутрішніх напружень охолодження виробів проводять почергово у двох середовищах: спочатку деталі занурюємо в воду, засікаємо певний час, визначений експериментально, доводимо метал приблизно до температури 400 ⁰С (трохи вище М_н), потім швидко переносимо їх в масло, де і відбувається кінцеве охолодження до температури приблизно 40−50 ⁰С.

Нагрів поковок для відпуску проводимо у печі ПН-34М до температури 570 ⁰С, витримуємо 2,5 години, а потім охолоджуємо у воді до кімнатної температури. Після ТО деталі підлягають механічній обробці. Режим термічної обробки підвісок із сталі 40Х наведено на рисунку 2.2.

Після такої термічної обробки сталь 40Х повинна мати кращі механічні властивості, ніж сталь 45 (див. табл.1.4 та рис. 1.3).

Рисунок 2.2 — Графік режиму термічної обробки підвісок із сталі 40Х Перевагами гартування підвісок у двох середовищах є: забезпечення оптимальної швидкості охолодження, яка запобігає розпад переохолодженого аустеніту в області температур мінімальної стійкості А, зниження рівня гартівних напружень, уникнення дефектів типу викривлення.

Недоліком цього ж процесу являється необхідність мати високо-кваліфікаційних термістів та висока вартість мінерального масла.

2.2 Перетворення, що протікають у сталі під час термічної обробки Процес термічної обробки сталі, у будь-якому випадку, включає в себе нагрів та охолодження, при цьому відбуваються структурні та фазові перетворення. А саме для даного виду ТО (покращення) проходять такі види перетворень:

— при нагріванні сталі - П > А;

— при швидкому охолодженні (гартування) — А > М;

— при охолодженні після високого відпуску — М > П©.

Перетворення перліту в аустеніт починається при нагріві сталі вище першої критичної точки А_с1 (727 ⁰С). При цьому зерна (Ф+Ц) у перлітному зерні взаємодіють між собою і утворюються зародки аустеніту. Початкове зерно аустеніту завжди дуже дрібне, але при збільшенні температури нагріву воно поступово зростає. Тобто, чим вище температура, тим більше аустенітне зерно і тому буде великим зерно мартенситу, яке утвориться після гартування. Розмір зерна, А є дуже важливою характеристикою. Крупне зерно не завжди бажане, так як знижує ударну в’язкість сталі.

При великій степені переохолодження нестійкість аустеніту збільшується, а швидкість дифузії вуглецю різко падає. При цьому змінюється тип решітки г > б, а весь вуглець, який раніш був розчинений у решітці А, залишається в решітці фериту.

Утворюється мартенсит — перенасичений твердий розчин впровадження вуглецю в б — залізі. Мартенсит має ту ж саму концентрацію вуглецю, що і вихідний аустеніт. Через перенасиченість вуглецем решітка М сильно викривлена і замість кубічної набуває тетрагональної форми (рисунок 2.2). Під час переходу від аустенітної до мартенситної структури об'єм та розміри деталей збільшуються. Мартенсит має високу твердість та крихкість.

Структура сталі після гартування складається з тетрагонального мартенситу і деякої кількості залишкового аустеніту. При нагріванні загартованої сталі нижче температури фазового перетворення (відпуск) відбуваються наступні процеси.

При нагріванні до 200 ° С з мартенситу виділяються пластинки карбідної фази, решітка мартенситу стає близькою до кубічної. При нагріванні до 300 ° С залишковий аустеніт перетворюється на суміш перенасиченого б-твердого розчину та карбіду, тобто у відпущений мартенсит. При подальшому нагріванні з твердого розчину виділяється весь надлишковий вуглець, карбіди відокремлюються, утворюється цементит. При нагріванні до 400 ° С сталь складається з фериту і цементиту, що утворюють структуру троостит відпуку. При нагріванні до 600 ° С утворюється структура сорбіт відпуску, що складається з фериту і дрібних зерен цементиту.

На відміну від сорбіту, одержаного при розпаді аустеніту, зерна цементиту, що утворюються при розпаді мартенситу, рівноосні, а не пластинчасті. Різна форма цементиту обумовлює відмінність у властивостях структур. Зернисті структури мають більш високі механічні властивості, характеризуються більшою пластичністю і в’язкістю при рівній твердості. Після гартування структура сталі складається з мартенситу і залишкового аустеніту. Твердість визначається твердістю мартенситу та його кількістю. Пластичність загартованої сталі залежить не тільки від вмісту мартенситу, але і від його дисперсності (розміру голок). Для забезпечення високого комплексу механічних властивостей прагнуть отримати після гартування дрібногольчасту структуру, що досягається при дрібнозернистій структурі аустеніту до перетворення.

Твердість сталі залежить від температури ізотермічного розпаду аустеніту: сталі 45 (рисунок 2.3) та сталі 40Х (рисунок 2.4).

Рисунок 2.3 — Діаграма ізотермічного перетворення аустеніту сталі 45 (а) та термокінетична діаграма розпаду переохолодженого аустеніту сталі 45 (б) Рисунок 2.4 — Діаграма ізотермічного перетворення аустеніту сталі 40Х (а) та термокінетична діаграма розпаду переохолодженого аустеніту сталі 40Х (б) Чим нижче температура ізотермічного розпаду аустеніту, тим вище дисперсність перлітних фаз і внаслідок цього вище твердість сталі.

Вплив легуючих компонентів на поліморфні перетворення в сталі. Більшість легуючих елементів, при введенні їх в сталь, змінюють температуру початку та кінця поліморфного перетворення.

Карбіди хрому відносяться до фаз внедрування, тому їх поява в сталях викликає різке збільшення міцності та твердості, з одночасним зниженням в’язкості та пластичності. Легуючі елементи також впливають на положення критичних точок в сталях та основних ліній на діаграмі Fe — C. Вони підвищують точки А₁ та А₃, так як їхні карбіди більш стійкі і розчиняються в залізі при більш високих температурах, ніж звичайний цементит. Тому введення легуючих компонентів (Cr) викликає необхідність збільшення температури гартування.

Вплив легуючих елементів на фазові перетворення при термічній обробці. Введення легуючого компоненту (хрому) змінює положення С — подібних кривих на діаграмі ізотермічного перетворення аустеніту, тобто зміщує вправо, а точки Mn та Mk — вниз.

Наявність легуючих елементів в сталі робить більш стійким загартований стан, тобто мартенсит зберігається при нагріванні в процесі відпуску до більш високих температур. Так, якщо у звичайній вуглецевій сталі мартенсит перетворюється в троостит вже при нагріві до 250 ⁰С, то в легованих сталях мартенсити може зберігатися до температур 450 — 550 ⁰С.

2.3 Вплив вуглецю, хрому та постійних домішок на властивості сталі.

Вуглець дуже впливає на властивості сталі навіть при незначній зміні його вмісту. Таким чином, вуглець являється основним елементом, за допомогою якого змінюються властивості сплаву на основі заліза.

Вплив вуглецю на властивості сталей показано на рисунку 2.5.

Рисунок 2.5 — Вплив вуглецю на властивості сталей З підвищенням вмісту вуглецю в структурі сталі збільшується кількість цементиту, при одночасному зниженні долі фериту. Зміна співвідношення між складовими призводить до зменшення пластичності, а також до збільшення міцності та твердості. Міцність підвищується до вмісту вуглецю приблизно 1%, а потім вона зменшується, так як утвориться груба сітка цементиту вторинного.

Вуглець впливає на в’язкі властивості. Збільшення вмісту вуглецю підвищує поріг холодноламкості та знижує ударну в’язкість.

Також вуглець впливає на технологічні властивості, а саме із його зростанням погіршуються оброблюваність тиском та різанням, зварюваність.

На відмінну від конструкційної вуглецевої сталі 45, низьколегована сталь 40Х крім вуглецю має ще один впливовий компонент — це хром.

У даній сталі хром не перевищує 0,8…1,1%, він являється одним із основних легуючих елементів сталі. Cr підвищує прогартованість, знижує зварюваність, так як, окислюючись, створює тугоплавкі оксиди Cr₂O₃, які різко підвищують твердість сталі в зоні термічного впливу, утворюючи карбіди хрому, а також сприяє виникненню гартівних структур.

У сталях завжди присутні домішки, які також можуть впливати на властивості сплаву в залежності від їх вмісту.

Марганець та кремній вводяться у процесі виплавки сталі для розкислення, вони являються технологічними домішками. Вміст марганцю не перевищує 0,5…0,8%. Він підвищує міцність, не знижуючи пластичності, та різко знижує красноламкість сталі, викликану впливом сірки. Марганець сприяє зменшенню вмісту FeS, так як утворює із сіркою MnS.

Вміст кремнію не перевищує 0,17…0,37%. Він розчиняється у фериті та підвищує міцність сталі, особливо зростає межа текучості у_0,2. Але спостерігається деяке зниження пластичності.

Вміст фосфору в сталі 0,025…0,35%. Фосфор, розчиняючись у фериті, викривляє кристалічну решітку та збільшує межу міцності у_в та межу текучості у_т, але знижує пластичність та в’язкість. Вміст сірки в сталі складає 0,025…0,04%. Сірка — шкідлива домішка, потрапляє в сталь із чавуна. При взаємодії із залізом утворює хімічну сполуку FeS. Сірка знижує механічні властивості, особливо ударну в’язкість та пластичність, а також межу витривалості. Вона погіршує зварюваність та корозійну стійкість.

2.4 Вибір обладнання для проведення термічної обробки Основними критеріями при виборі обладнання є: вид термічної обробки, хімічний склад та розміри деталей. Для проведення гартування та високого відпуску підвісок застосовують шахтні електропечі типу Ц-105А та ПН-34М відповідно. Ці печі являються морально застарілими, вони важкі в обслуговуванні та ін. Я пропоную замінити їх на більш нові та економічно ефективніші електропечі типу СШО10.10/10 та СШЗ 6.12/7, їхні характеристики приведені у таблиці 2.1.

Таблиця 2.1 — Характеристики шахтних електропечей.

Представлені печі призначені для нагріву металевих виробів та термічної обробки в окисненій або в захисній атмосфері.

Електропіч (рисунок 2.6) складається з кожуха, футеровки, нагрівачів, електромеханічного механізму підйому і повороту кришки. Кожух 1 електропечі - виготовлений із зварної листової та профільної сталі. Футеровка 2 виконана з вогнетривкої і теплоізоляційної цегли. Нагрівачі 3 дротові зі сплавів високого електричного опору, розміщені на внутрішній бічній поверхні футеровки. Живлення нагрівачів електроенергією здійснюється від мережі змінного трифазного струму через тиристорні перетворювачі напруги 6. Підйом і опускання кришки виконується електромеханічним механізмом підйому і повороту кришки 4. Контроль, регулювання і реєстрація температури проводиться автоматично приладами теплового контролю на шафах 5. Термообробка деталей в електропечі проходить в середовищі захисної атмосфери ендогазу з можливими добавками природного газу або пропану. Для проведення термообробки деталей електропіч розігрівається до номінальної температури. При досягненні номінальної температури в робочому просторі припиняється подача електроенергії на нагрівачі, піднімається кришка. За допомогою цехових підйомних засобів завантаження вертикально опускається в робочий простір електропечі, закривається кришка, подається електроенергія, йде розігрів виробів до заданої температури. При досягненні в робочому просторі температури 750 ° С здійснюється подача ендогазу. Після закінчення процесу термообробки припиняється подача ендогазу в робочий простір, електроенергії на нагрівачі, скидається надлишковий тиск ендогазу, відкривається кришка. Вироби вивантажуються. Подається нова партія завантаження і цикл повторюється.

Рисунок 2.6 — Схема шахтної електропечі типу СШО (СШЗ) Немаловажну роль відіграють також спеціальні пристосування (див. рис. 1.4), за допомогою яких деталі завантажують у піч. Так як ці пристосування зазнають постійний перепад температур, строк їхньої служби обмежений. В шахтних печах застосовують пристрої типу етажерка. Їх виготовляють із жароміцної сталі марки 36Х18Н25С2. На етажерку розміщується порядком 70 шт виробів.

Для охолодження деталей після нагріву під гартування застосовують: у воді - немеханізований гартівний бак циліндричної форми виготовлений із листової низьковуглецевої сталі товщиною 4 — 6 мм, діаметром 1500 мм та глибиною 2500 мм, місткістю 3 т води, для рівномірного охолодження виробів рідину перемішують за допомогою повітря (борбатаж) або безперервно подають та відводять з гартівного баку охолоджувальну рідину; у маслі - масляно-гартівний бак з товщиною стінки 8−12 мм та габаритними розмірами 1600?2500 мм, має вбудований змійовик із циркулюючою в ньому холодною водою для місцевого охолодження масла, також бак оснащений витяжним ковпаком для відсмоктування парів масла.

Завантаження та вивантаження виробів з баків відбувається вручну.

2.5 Хімічні процеси, що проходять під час нагрівання деталей в печі.

При нагріві деталей в печах метал взаємодіє з атмосферою печі. Результатом такої взаємодії являється окиснення, яке призводить до виникнення окалини на поверхні нагріваючого металу, та зневуглецювання — часткове або повне вигорання вуглецю в поверхневих шарах сталі.

Окислення призводить до втрат металу, ускладнює обробку деталей, затрудняє отримання високої та рівномірної твердості. Втрати металу при нагріві складають до 3% маси деталей що обробляються.

У зневуглецьованому шарі з’являються «м'які плями» і виникають розтягуючі напруження, що знижує міцність, зносостійкість та межу витривалості, тобто знижує строк служби деталей.

У склад пічної атмосфери входять кисень, окис вуглецю, двоокис вуглецю, водень, азот, метан, водяний пар. Дія цих газів на сталь різна. Водень зневуглецьовує, окис вуглецю та метан навуглецьовують. Водяний пар, двоокис вуглецю та кисень окисляють та зневуглецьовують.

Спочатку процесу окислення проходить хімічна реакція між металом та окиснюючим газом, у результаті чого на поверхні металу утвориться окисна плівка. Подальший процес окиснення — це дифузія атомів кисню крізь плівку (до металу) з окисненням на границі метал — плівка; дифузія атомів металу крізь плівку на її зовнішню поверхню з окисненням на границі плівка — газ або зустрічна дифузія атомів кисню та металу. На інтенсивність окиснення впливають склад та будова окисної плівки. Якщо плівка пориста, окиснення проходить інтенсивно, якщо щільна — окиснення сповільнюється або навіть зовсім зупиняється. Процес окиснення є дифузійним процесом; чим вище швидкість дифузії, тим вище швидкість окиснення. З підвищенням температури нагріву процес дифузії різко прискорюється, тому і окиснення буде проходити тим в більшій степені, чим вище температура нагріву.

В атмосфері вологого повітря окиснення проходить і при температурі 200 ⁰С; утворена окисна плівка складається з окислу Fе₂О₃. З підвищенням температури (вище 100 ⁰С) утворюється щільний шар окислів Fе₂О₃ та Fе₃О₄. При температурі вище 570 ⁰С крім окислів Fе₂О₃ та Fе₃О₄ утворюється менш щільний окисел FeO по наступним реакціям:

Fe + CО₂-FeO + СО; Fe + Н₂ О-FeO + Н₂; 2Fe + О₂-2FeO.

(основна частина кисню пічної атмосфери знаходиться у вигляді СО₂ та Н₂О). З утворенням окислу FeO окислення заліза різко зростає; при цьому утворюється шар окалини. Тому практично деталі запобігають від окислення при нагріві їх до температур вище 500 ⁰С.

Паралельно з окисленням протікає процес зневуглецювання, тобто взаємодія газів пічної атмосфери з вуглецем. Вуглець може знаходитись в сталі у вигляді карбіду заліза Fе₃С або у твердому розчині [Feг (С)]. Зневуглецювання прихований дефект. Його можна виявити вимірюванням твердості та по структурі сталі. Степінь зневуглецьованої дії пічної атмосфери залежить від вмісту в сталі вуглецю и легуючих елементів; наприклад, хром зменшує схильність до зневуглецювання.

На процес зневуглецювання впливає також і температура нагріву; чим вище температура, тим інтенсивніше протікає зневуглецювання.

Для збереження сталості хімічного складу поверхні деталей при даному режимі нагріву та певному хімічному складі сталі необхідно створити умови рівноваги між металом та пічною атмосферою, тобто мати певне співвідношення окислюючих, зневуглецьовуючих, відновлюючих та навуглецьовуючих газів.

Для запобігання окислення та зневуглецювання деталей при високих температурах у робочий простір печі вводять захисне газове середовище, яке називається захисною та контролюючою атмосферою. Застосована контролююча атмосфера повинна мати низьку вартість, бути простою у приготуванні, не повинна утворювати зайву кількість сажі та коксу, не окислювати та на зневуглецьовувати поверхню деталей при термічній обробці.

Для захисту від окислення можуть застосовуватись інертні гази: аргон, неон та чистий азот, які не містять слідів кисню, а також продуктів дисоціації аміаку. Вказані гази потребують додаткової очистки від агресивних домішок осушки, що підвищує вартість захисного газу в 2−3 рази. У зв’язку з цим чисті гази застосовують для захисних атмосфер обмежено.

У сучасному машинобудівному виробництві застосовують контролюючі атмосфери двох типів:

1) екзотермічну нейтральну при температурі нижче 700 ⁰С;

2) ендотермічну «універсальну», нейтральну при температурі вище 700 ⁰С (нижче 700 ⁰С вона вибухонебезпечна).

Найбільш широке застосування має ендотермічна атмосфера (ендогаз), яка застосовується як для без окисленого нагріву, так і для цементації.

3. ЕКОНОМІЧНА ЧАСТИНА У дипломному проекті було запропоновано замінити марку сталі для виробництва підвісок ГВП із 45 на 40Х, що призводить до зміни режимів термічної обробки цих деталей. Ця зміна в результаті дає нам кращі показники якості (твердість, міцність, прогартованість та інші) заданого виробу, що в свою чергу дозволяє підняти націнку на вартість товару.

Метою написання даного розділу є: розрахувати собівартість термічної обробки підвісок, виготовлених із різних марок сталей, порівняти результати розрахунку та зробити висновки.

3.1 Визначення витрат на матеріали У якості матеріалу для виготовлення підвісок виступають поковки гарячого штампування вагою 15 кг/шт.

Ціни на матеріали прийняті на рівні цін підприємств — представників металургійної галузі України. Дані про витрати на матеріали та відходи наведені на підставі їх фактичних місячних витрат при виготовлені 10 шт підвісок. Розрахунок витрат на матеріали наведено у таблиці 3.1.

Таблиця 3.1 — Розрахунок витрат на матеріали із сталі 45 та 40Х.

Різниця між витратами на матеріали становить 82,5 грн.

3.2 Визначення об'єму амортизаційних відрахувань Для проведення термічної обробки підвісок застосовувалось таке обладнання: електропіч шахтна Ц-105А, піч шахтна відпускна ПН-34М, бак водний гартівний, бак масляно-гартівний та кран-балка.

Сума щорічної амортизації розраховується по формулі [13].

А_річ = (ОФ * На) 100, (3.1).

де ОФ — залишкова сума основних фондів; Н_а — норма амортизації, .

Річна сума амортизаційних відрахувань розрахована виходячи з норм амортизації і вартості термічного обладнання. Результати розрахунків наведено в таблиці 3.2.

Таблиця 3.2 — Розрахунок річних витрат на амортизаційні відрахування.

Крім підвісок на цьому ж обладнанні виконують термічну обробку валиків, провідних шестернів, опор, стержнів та ін. Планова річна виробнича програма склала на поточний рік 6 т, де 1,80 т з яких — підвіски.

Амортизаційні витрати на обробку 1 кг виробу складе:

129,15: 6000 = 0,02 (грн).

0,02 * 150 = 3,0 (грн),.

де 150 — маса 10 поковок (місячна норма), кг.

Таким чином, об'єм амортизаційних відрахувань складе 3,0 грн.

3.3 Розрахунок витрат на поточний ремонт обладнання Витрати на поточний ремонт складають 5% від залишкової вартості основних фондів з урахуванням всього сортаменту виробів, вони дорівнюють:

861,0 * 0,05 = 43,05 (грн) Витрати на поточний ремонт термічного обладнання з урахуванням 10-и підвісок складе:

43,05: 6000 * 150 = 1,08 (грн).

3.4 Розрахунок витрат на енергетичні ресурси, масло та технічну воду До енергетичних ресурсів відноситься споживана устаткуванням кількість електроенергії під час обробки підвісок ГВП.

Витрати на електроенергію визначаються виходячи із споживаної потужності, часу роботи устаткування і вартості електроенергії за 1 кВт/час. Згідно розцінкам підприємства ВАТ «ЕК «Дніпрообленерго» вартість електроенергії для виробничих умов на 2012 р. складає 1,1 грн. за 1 кВт/час.

Розрахунок витрат на електроенергію проводиться по формулі [13].

З_е = N * t * Ц_е, (3.2).

де N — споживана потужність, кВт/годину;

t — час роботи устаткування в ході обробки, годин;

Ц_е — вартість електроенергії, грн за кВт.

Результати розрахунку витрат на електроенергію зведено у таблиці 3.3.

Таблиця 3.3 — Розрахунок витрат на електроенергію.

По проектній технології в якості охолоджувального середовища після гартування використовується масло мінеральне та вода технічна, після відпуску — вода. По базовій технології - лише вода після гартування. Витрати масла за даними підприємства складають 20 кг/т виробів.

Витрати на масло [13]:

З_м = Н*М*Ц, (3.3).

де Н — норма витрати масла, 20 кг/т;

М — маса деталей, т;

Ц — ціна масла, 25 грн/кг.

підвіска сталь термічний деталь.

З_м = 20 * 0,150 * 25 = 75,0 (грн) Витрати на технічну воду [13]:

З_в = Н*М*Ц, (3.4).

де H — норма витрати води, 1 м³/т;

M — маса деталей, т;

Ц — ціна 1 м³ води, 4,87 грн/ м³.

З_в=1* 0,150 * 4,87 = 0,73 (грн) Так як по запропонованій технології двічі використовується вода (гартування, відпуск), то:

2 * 0,73 = 1,46 (грн) Результати розрахунку витрат на енергоресурси, масло та воду зведені у таблиці 3.4.

Таблиця 3.4 — Результати розрахунку витрат на енергоресурси, масло та воду.

3.5 Розрахунок витрат на основну заробітну плату та нарахувань на неї.

Робітники термічної ділянки цеху працюють по 5-денному робочому тижню в 3 зміни. Вихідні в суботу та неділю, без роботи в святкові дні.

Розрахунок заробітної плати робітників термічної ділянки наведено в таблиці 3.5.

Таблиця 3.5 — Розрахунок витрат на основну заробітну плату.

Нарахування на заробітну платню виробничих працівників складають 37,5% (у пенсійний фонд — 33,0%; на соціальне страхування — 2,0%; у фонд зайнятості - 1,5%).

Таким чином, нарахування на заробітну плату складають:

З_нар. = 0,375 * 569,2 = 213,45 (грн).

3.6 Розрахунок накладних витрат Накладні витрати включають в себе ті затрати, що були віднесені на вартість роботи непрямим шляхом. Сума накладних витрат сягає 20% від загальних витрат на обробку деталей.

Фактичні накладні витрати:

З_н = 0,2 * (1156,5 + 3,0 + 1,08 + 4369,2 + 0,73 + 569,2 + 213,45) = 1262,6 (грн) Проектні накладні витрати:

З_н = 0,2 * (1239,0 + 3,0 + 1,08 + 4369,2 + 75,0 + 1,46 + 569,2 + 213,45) = 1294,1 (грн).

3.7 Кошторис витрат на термічну обробку підвісок ГВП Кошторис витрат на термічну обробку (гартування, відпуск) підвісок по фактичним та проектним даним наведено у таблиці 3.6.

Таблиця 3.6 — Кошторис витрат на термічну обробку.

Для економії енергетичних ресурсів та часу разом обробляють 10 шт підвісок. Таким чином, кошторис витрат на термічну обробку однієї підвіски буде складати З_ф = 6419,3: 10 = 641,93 (грн).

З_пр = 6526,5: 10 = 652,65 (грн) Отже, різниця між витратами на термічну обробку складає 10,72 грн, а різниця між затратами на матеріал 82,5 грн, разом — 93,22 грн.

Зменшити цю різницю можна шляхом використання менш потужного обладнання (економія на електроенергії), заміна мінерального масла на технічне, так як сума амортизаційних відрахувань на використане обладнання в близькому майбутньому зведеться до нуля, то це також може слугувати до зменшення витрат на ТО.

Виготовлення більш якісної продукції є дуже важливим для ДП НВК «Електровозобудування», так як за останні роки вони втратили чимало потенційних замовників на електровози як в Україні, так і за кордоном.

Підприємству рекомендовано зробити випуск продукції з більш якісного матеріалу з метою виробництва товарів, що могли б відповідати євростандартам для забезпечення короткотривалої та довготривалої мети (освоєння певної частки ринку, завоювання лідерства на ринку високоякісних товарів, що в свою чергу призведе до одержання запланованої суми прибутку).

4. ОХОРОНА ПРАЦІ.

Охорона праці - це система законодавчих, соціально — економічних, організаційних, технічних, гігієнічних та лікувально — профілактичних заходів та засобів, що гарантують безпеку, збереження здоров’я та працездатності людини в процесі праці.