Министерство образования и науки украины

ПРИАЗОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ

ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

Кафедра «Металлорежущие станки и инструменты»

МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ

к практической работе №2 на тему

«Влияние параметров режима нагрева на размеры

и твердость упрочненной зоны при плазменной

закалке углеродистой стали»

Утверждено на заседании кафедры «МСиИ», протокол №2 от 17.09.2001г.

Мариуполь, ПГТУ, 2001

1. ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ПОЛОЖЕНИЯ

Сущность способа плазменной поверхностной закалки заключается в
локальном скоростном нагреве поверхности детали высококонцент-рированной плазменной струей и быстром естественном охлаждении без применения дополнительных охлаждающих средств (за счет теплопроводности нагреваемого материала). При термических фазовых и структурных превращениях на поверхности детали образуется упрочненная зона (зона термического воздействия - ЗТВ плазменной струи), размеры и твердость которой зависят от следующих факторов:

1. Химического состава упрочняемого материала (стали, чугуна, твердого сплава, цветных металлов) и его исходного структурного состояния;

2. Параметров режима упрочнения.

Необходимьм условием упрочнения (т.е. повышения твердости и других служебных характеристик) является протекание в ЗТВ плазменной струи процессов закалки и образование мартенсита в качестве основной структурной составляющей. Мартенсит характеризуется высокой прочностью, низкой пластичностью и большим объемом. Для углеродистой доэвтектоидной стали температуру нагрева под закалку в соответствии с диаграммой состояния «Fе - Fе₃С» рекомендуется назначать равной Ас₃ + (ЗО.,.50)°С(Ас₃= 900⁰ С). При нагреве до более высокой температуры происходит рост кристаллов мартенсита - образуется крупноигольчатая структура с пониженной прочностью и пластичностью и повышенной хрупкостью. Температура нагрева поверхности детали плазменной струей может значительно превышать рекомендуемые значения, однако, ввиду концентрированного ввода тепла, очень высоких значений скорости нагрева и охлаждения (порядка 10⁴...10⁵ °С/с) рост кристаллов мартенсита не происходит и структура упрочненной зоны характеризуется высокой степенью дисперсности. При определенннх условиях и соответствующих параметрах режима плазменного упрочнения температура нагрева в локальном участке может превышать температуру плавлення (порядка 1550°С). Тогда наряду с закалкой в твердом состоянии происходит закалка из жидкого, расплавленного состояния. Только в этом случае происходит рост кристаллов мартенсита и образуется крупноигольчатая структура с пониженными служебыми свойствами.

Основной физической характеристикой поверхностного упрочнения является температурное поле. Эта характеристика позволяет определить температуру нагрева, скорость нагрева и скорость охлаждения в любой точке ЗТВ в различные моменты времени в зависимости от параметров режима обработки и теплофизических характеристик нагреваемого материала.

В общем случае, применительно к поверхностному упрочнению массивных деталей высококонцентрированной плазменной струей, может быть применена расчетная схема нагрева полубесконечного тела мощным быстродвижущимся нормально - распределенным источником нагрева Уравнение процесса распространения тепла при этом имеет вид:

где –ширина и глубина пятна нагрева, =0; 0,5; 1,0; 1,5см; =0; 0,5; 1,0; 1,5 см

– время, 5, 10, 15, 20 с;

– начальная температура тела, 20⁰ С;

– эффективная тепловая мощность плазменной струи, кал;

– коэффициент теплопроводности, 0,1 кал/ см с ⁰С;

– скорость обработки, 0,417, 0,7, 0,97 см/с;

– коэффициент температуропроводности, 0,1 см/с;

Согласно формуле (1) температура нагрева в любой точке ЗТВ в любой момент времени определяется параметрами режима - и . Эффективная мощность плазменной струи равна:

, (2)

где – КПД плазменного нагрева, ;

– КПД плазмотрона; для плазмотронов косвенного действия

с секционированной межэлектродной вставкой при расходе

охлаждающей воды в пределах ∆m 1…2 м³/ч ;

– КПД плазменной струи (с учетом потерь на излучение и

отражение), 0,98;

– ток обработки, 300, 400 А;

- напряжение в плазменной струе - является зависимой величиной от : каждому значению тока соответствует определенное значение напряжения в соответствии с вольт-амперной характеристикой системы источник питания – плазмотрон.

Размеры упрочненной зоны (ЗТВ) определяются размерами участка металла, нагреваемого выше температуры закалки стали. На рис.1 показана схема распределения температуры нагрева от поверхности в глубину детали, которая позволяет выделить четыре основных участка упрочненной зоны:

1. Зона закалки из жидкого состояния (Т_Н > Т_ПЛ,);

2.Зона закалки в твердом состоянии (Т_н = Ас₃...Тпл);

3.Переходная зона или зона неполной закалки - из межкритического

интервала температур; (Т_Н = Ас₃... Т_ПЛ);

4.Зона исходного металла. (Т_н < Ас₁)

При упрочнении без оплавления зона закалки из жидкого состояния отсутствует. По аналогичной схеме происходит распределение температуры в поперечном направлении, т.е. по ширине упрочненной зоны.

Зона термического воздействия плазменной струи имеет форму сегмента окружности (рис.2). Ее размеры определяются визуально при макроструктурном исследовании шлифов упрочненной стали, вырезанных в направлении, перпендикулярном направлению обработки (рис.3).

Параметры режима обработки (и, соответственно, температура и скорость охлаждения) оказывают влияние также на твердость упрочненной зоны, что обусловлено полнотой и кинетикой протекания структурно-фазовых превращений.

2. МЕТОДИКА ПРОВЕДЕНИЯ РАБОТЫ

1 Подготовить к упрочнению образец из исследуемой стали.

2Установить образец в специальное приспособление и закрепить на

столе установки.

3.Подготовить установку к упрочнению.

4.Произвести плазменное упрочнение образца в несколько проходов с

зазором между ними не менее 5 мм, изменяя величину тока обработки:

I₁ = 300 А I₂= 400 А и скорости обработки: V₁ = 15 м/ч, V₂ = 25 м/ч,

V₃ = 35 м/ч.

5.После остывания образца произвести замеры твердости в каждом проходе

на приборе Роквелла (шкала «С»); результаты замеров занести в таблицу. 6.Изготовить макрошлиф упрочненного образца в плоскости,

перпендикулярной направлению обработки.

7,Определить размеры упрочненной зоны, используя 3–5 - кратную лупу

и измерительный инструмент; результаты замеров занести в таблицу. 8.Построить графики влияния параметров режима обработки на твердость и

размеры упрочненной зоны.

9.Проанализировать полученные результаты. Таблица

№№ пп	Режим упрочнения	Твердость	Размеры упрочненной зоны, мм
I, A	V, м/ч
Е1	е2	е3

3. ПОРЯДОК ОФОРМЛЕНИЯ ОТЧЕТА

В отчете кратко излагаются теоретические положения о влиянии параметров режима плазменной закалки на размеры и твердость упрочненной зоны. Приводятся результаты эксперимента (таблица, графики). В выводах дается анализ полученных результатов.

4. РЕКОМЕНДУЕМАЯ ЛИТЕРАТУРА

1.Плазменное поверхностное упрочнение /Л.К. Лещинский. С.С.

Самотугин, И.И .Пирч. -К: Техника, 1990.-109с.

ОБЩИЕ ПОЛОЖЕНИЯ

Состав отработавших газов

В состав отработавших газов автомобилей с дизелями входят более 450 токсичных компонентов. К основным токсичным компонентам, вызывающим интенсивное загрязнение атмосферного воздуха, относятся оксид углерода (СО), углеводороды (СН), оксиды азота, твердые частицы. Для автомобилей с дизелями, находящихся в эксплуатации, установлены нормы на дымность отработавших газов. Дизельные двигатели, по сравнению с бензиновыми, выбрасывают в атмосферу значительно меньше токсичных веществ: СО - в 5-7 раз, СН - в 1,3-1,5 раза. Однако они обладают значительным недостатком - повышенным выбросом твердых (углерод) и жидких (масло, топливо) частиц.

Количество твердых сажевых частиц и жидких капель топлива, масла, воды в отработавших газах характеризует их дымность. Уровень дымности, даже на автомобилях одной модели при их работе в одних и тех же условиях, различен и, в зависимости от их технического состояния, изменяется в широких пределах. Оценка дымности производится по коэффициенту поглощения света к, измеряемому в м^-1(основной показатель), и по коэффициенту ослабления света N , измеряемому в % (дополнительный показатель).

Цель работы - практическое освоение методов и средств оценки уровня дымности отработавших газов автомобиля, нахо­дящегося в эксплуатации.

Термины и определения

Свободное ускорение: увеличение частоты вращения коленчатого вала двигателя автомобиля от минимальной до максимальной без внешней нагрузки при перемещении педали управления подачи топлива (далее - педали) до упора.

Максимальная частота вращения n_mах, мин^-1: ограниченная регулятором частота вращения вала двигателя в режиме холостого хода при нажатой до упора педали.

Минимальная частота вращения: n_min, ^мин-1: частота вращения вала двигателя в режиме холостого хода при отпущенной педали.

Дымомер: прибор, предназначенный для непрерывного измерения к и N. Характеристики, которым должен соответствовать дымомер, приведены в приложении И к ГОСТ Р 41.24.

Эффективная база дымомера L, м: длина траектории лучей света при их прохождении через отработавший газ, заполнивший рабочую трубу дымомера в условиях измерения. Значение L_ определяют в соответствии с ГОСТ Р 41.24 и указывают на дымомере.

Пробоотборная система: устройство для забора отработавших газов из выпускной трубы автомобиля в измерительную камеру дымомера, изготовленное в соответствии с ГОСТ Р 41.24.

Коэффициент поглощения света к, м^-1: значение дымности, измеренное дымомером по основной шкале индикатора с диапазоном от 0 до бесконечности.

Коэффициент ослабления света N. %: значение дымности, измеренное дымомером по вспомогательной линейной шкале индикатора с диапазоном от 0 до 100 %.

Дымность отработавших газов в режиме свободного ускорения Хм, м^-1: максимальное значение коэффициента поглощения (см. рис. 1), измеренное в режиме свободного ускорения.

Результат измерения дымности в режиме свободного ускорения Хсм, м ^-1: среднеарифметическое значение четырех последних измерений Хм.

Предельно допустимое значение дымности Х_ь м^-1: предельно допустимое значение коэффициента поглощения в режиме свободного ускорения, установленное для автомобиля.

Обкатка автомобиля: пробег автомобиля, установленный изготовителем для начального периода эксплуатации, в течение которого должны выполняться особые требования, изложенные в инструкции по эксплуатации автомобиля.

Автотранспортное средство, находящееся в эксплуатации: автомобиль, прошедший регистрацию в установленном порядке.

Нормы

Основным нормируемым параметром дымности является коэффициент поглощения света к , вспомогательным -коэффициент ослабления света N. При контроле дымности в эксплуатации могут использоваться дымомеры с линейной шкалой, отградуированной от 0 до 100% ослабления света. Пересчет к в N для дымомера с L_, равной 0,43 м, приведен в таблице 1.

Дымность Хсм сертифицированных обкатанных автомобилей в режиме свободного ускорения не должна превышать значение коэффициента поглощения Х_ь нанесенное на двигатель.

Дымность Х_смсертифицированных необкатанных авто­мобилей не должна превышать более чем на 0,5 м ^-1 значение коэффициента поглощения Х_L.

Дымность Хсм несертифицированных автомобилей (без знака официального утверждения), не должна превышать в режиме свободного ускорения следующих значений:

2,5 м ^-1 -для двигателей без наддува;

3,0 м ^-1 - для двигателей с наддувом.

Таблица 1

Пересчет значений к в N (для дымомера с L равной 0,43 м)

k,м-1 N.%	0,0 0.0	0,1 4	0,2 8	0,3 11	0,4 15	0.5 20	0,55 21	0.6 23	0.65 24
к,m-1 N.%	0,7 26	0,75 28	0,8 29	0,85 31	0,9 32	0,95 34	1,0 35	1,05 36	1,1 38
k, m -1 N,%	1,15 39	1,2 40	1,25 42	1,3 43	1,35 44	1.4 45	1,45 46	1,5 47	1,55 49
k, m -1 N,%	1,6 50	1,65 51	1,7 52	1,75 53	1,8 54	1,85 55	1.9 56	1.95 57	2,0 58
k, m -1 N,%	2,05 59	2,1 59,5	2,15 60	2,2 61	2,25 62	2.3 63	2,35 64	2,4 64.4	2,45 65
к,m -1 N,%	2,5 66	2,55 67	2,6 67,3	2,65 68	2,7 69	2,75 69,3	2,8 70	2.85 71	2,9 71.3
k, m -1 N,%	3,0 72.5	3,05 73	3,1 73,6	3,15 72	3,2 75	3,25 75.3	3,3 76	3,35 76.3	3.4 77
k,M-1 N,%	3,45 77.3	3,5 78	3,55 78.3	3,6 79	3,65 79.2	3,7 80	3,75 80 1	3,8 80.5	3,85 81
k, m -1 N,%	3,9 81.3	3,95 81,7	4,0 82	4,05 82.5	4,1 83	4.15 83.3	4,2 83,7	4.25 84	OO

Примечание: Пересчет значений и проводят по формуле:

,

где –коэффициент поглощения света, м^-1;

– эффективная база дымомера, м;

– коэффициент ослабления света,%.

Применяемые при испытаниях средства измерений должны быть поверены в установленном порядке и иметь действующие свидетельства о поверке.

Для подвода отработавших газов из выпускной трубы автомобиля в измерительную камеру дымомера следует использовать пробоотборную систему, обеспечивающую отсутствие утечек газов и подсоса воздуха. Пробоотборная система должна соответствовать требованиям приложения К к ГОСТ Р 41.24.

Подготовка к измерениям

Предварительно до въезда на пост ЭК двигатель автомобиля должен быть прогрет до температуры не ниже рабочей температуры моторного масла или охлаждающей жидкости, указанной в инструкции по эксплуатации автомобиля, но не ниже 60°С.

Для повышения температуры моторного масла или охлаждающей жидкости двигатель запускают и прогревают, используя нагрузочные режимы или многократное повторение циклов свободного ускорения.

Продолжительность работы прогретого двигателя в режиме холостого хода перед началом измерений должна быть не более 5 мин.

После въезда автомобиля на пост ЭК:

• устанавливают рычаг переключения передач (избиратель передачи для автомобилей с автоматической коробкой передач) в нейтральное положение и включают сцепление;

• затормаживают автомобиль стояночным тормозом и заглушают двигатель;

• под ведущие колеса автомобилей устанавливают противооткатные упоры;

• внешним осмотром проверяют техническое состояние автомобиля и двигателя в соответствии с требованиями ГОСТ Р 51709. В случае несоответствия данным требованиям автомобиль считается неисправным, и ЭК не проводят;

• подключают датчики тахометра и измерителя температуры масла (при их отсутствии в комплекте измерительного оборудования могут быть использованы штатные автомобильные приборы);

• устанавливают пробоотборный зонд дымомера в соответствии с инструкцией на его эксплуатацию;

• запускают двигатель;

• измеряют значения n_min и n_max , которые должны быть в пределах, установленных изготовителем.

1. При измерении дымности в помещении необходимо
оеспечить вентиляцию этого помещения.

2. При испытаниях в режиме свободного ускорения некоторых
моделей автомобилей с автоматической коробкой передач (во
избежание поломки АКП) необходимо использовать беговые
барабаны или вывешивать ведущие мосты автомобиля.

Измерение дымности

Измерение дымности в режиме свободного ускорения проводят следующей последовательности:

• при работе двигателя в режиме холостого хода на n _min равномерно перемещают педаль за 0,5-1,0 с до упора. Держат педаль в этом положении 2-3 с. Отпускают педаль и через 8 - 10 с приступают к выполнению следующего цикла;

• циклы свободного ускорения повторяют не менее шести раз;

• измеряют значения Хм на последних четырех циклах свободного ускорения по максимальному показанию дымомера;

• измеренные значения Хм считают достоверными, если четыре последовательных значения не образуют убывающей зависимости и располагаются в зоне шириной 0,25 м ^-1;

• определяют среднеарифметическое значение Хсм четырех последних измерений Хм, которое принимается за результат измерения;

• результаты измерений сравнивают с установленными нормами и дают оценку технического состояния автомобиля по уровню дымности.

График изменений частоты вращения (n) и показателя поглощения света (к) в процессе цикла свободного ускорения приведен на рис. 1.

Рис. 1. Характерные формы графиков зависимости частоты вращения (n) и дымности (к) от времени (t) за единичный цикл свободного ускорения а - начало 1-го цикла свободного ускорения; б - окончание 1-го и начало 2-го цикла свободного ускорения;

1 - частота вращения коленчатого вала двигателя (n);

2 - дымность отработавших газов двигателя (к); n _min- минимальная частота вращения;

n_max- максимальная частота вращения;

t₀ - общее время одного цикла свободного ускорения (12-15 с); t_cy - время свободного ускорения от n_min до n_max (1-2 с); t_нпу - время нажатой до упора педали (2-3 с);t_xx-время работы на n_min(8-10c);Хм – максимальное значение дымности в режиме свободного ускорения .