Разработка технологии азотирования длинномерных деталей или сложной конфигурации

Министерство образования  Республики Беларусь

БЕЛОРУССКИЙ НАЦИОНАЛЬНЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ  УНИВЕРСИТЕТ

Кафедра «Материаловедение в машиностроении»

 

 

 

«УТВЕРЖДАЮ»

Заведующий кафедрой

«Материаловедение в машиностроении»

доктор техн. наук

Константинов В.М.

____________________________

«_____» ______________ 2012г.

 

 

«ДОПУЩЕН К ЗАЩИТЕ»

Руководитель

канд. техн. наук, доцент

Менделеева о.л.

____________________________

«_____» ______________ 200_г.

 

 

 

 

ПОЯСНИТЕЛЬНАЯ ЗАПИСКА

 

к курсовой работе на тему

 

Разработка технологии азотирования длинномерных деталей или сложной

конфигурации

 

 

 

 

 

 

 

Руководитель:  МЕНДЕЛЕЕВА О.Л.

канд. техн. наук, доцент  «_____» ______________ 2012г.

 

Исполнитель:  БОРТНИК А.Н.

студент гр. 104218  «_____» ______________ 2012г.

 

 

 

Минск 2012г.

 

 

УДК 621.78    

Реферат

Курсовая работа по дисциплине «Теория и технология ХТО» на тему: «Разработка технологии азотирования длинномерных деталей или сложной конфигурации»

Белорусский национальный технический университет. Бортник А.Н., Менделеева О.Л. 2012.

С. –  28, табл. – 3,  рис. – 10, библ. – 20.

АЗОТИРОВАНИЕ, БУРОВЫЕ ШТАНГИ, диффузия, ИЗНОСОстойкость

Целью данной курсовой работы являлось изучение технологии  ХТО для упрочнения изделия, исходя из конкретных условий эксплуатации. Обоснование технологических параметров реализации процесса ХТО.

В курсовом проекте рассмотрена  технология упрочнения буровых штанг, которые подвергаются абразивному износу.

 

 

 

 

                                                                                                                                       стр.                                                                                                                                    

 

ЗАДАНИЕ                                                                                                                                      2                                      

РЕФЕРАТ                                                                                                                                       3

СОДЕРЖАНИЕ                                                                                                                             4

ВВЕДЕНИЕ                                                                                                                                    5                                                                                  

  

1. КРИТИЧЕСКИЙ АНАЛИЗ ПРОБЕЛМЫ                                                            6

1.1. УСЛОВИЕ РАБОТЫ ИЗДЕЛИЯ                                                                        6

1.2. ОПИСАНИЕ ИЗДЕЛИЯ                                                                                        6

1.3. ВЫБОР МАРКИ СТАЛИ 10 

2. ВЫБОР ПРОЦЕССА ХТО 11

2.1. ВЫБОР ПРОЦЕССА ХТО 11

3. ЭКСПЕРЕМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ                                                                 12

ВЫВОДЫ 20

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ

 

 

ВВЕДЕНИЕ

Качество  и надежность продукции, выпускаемой  отечественным машиностроением и за рубежом, приобретают все большее экономическое и социальное значение. Решение проблем повышения надежности деталей машин, приборов, установок, инструментальной и технологической оснастки во многом связано с упрочнением поверхностных слоев изделий. Одним из эффективных способов их упрочнения является химико-термическая обработка (ХТО), в результате которой достигается оптимальное изменение состава поверхностного слоя изделия. Химико-термическая обработка  позволяет  повышать долговечность деталей машин, инструмента и технологической оснастки, снижать расход дорогостоящих металлов и сплавов, получать  материалы с особыми физико-химическими свойствами и т. д. Несмотря на появление  новых современных эффективных технологий поверхностного упрочнения, такие виды ХТО, как цементация,  нитроцементация и азотирование в технологических атмосферах с автоматически регулируемыми параметрами, широко используются и часто являются единственными способами упрочнения деталей машин. Существенно, что в процессе ХТО формируются структуры упрочненного слоя и сердцевины, определяющие прочностные и эксплуатационные свойства.

 

1. КРИТИЧЕСКИЙ АНАЛИЗ ПРОБЕЛМЫ

1.1. УСЛОВИЕ РАБОТЫ ИЗДЕЛИЯ

Буровые штанги относятся к области буровой техники и может быть использовано в горнорудной, угледобывающей и нефтедобывающей промышленности. Работают в условиях абразивного износа.

1.2. ОПИСАНИЕ ИЗДЕЛИЯ

Буровые штанги изготавливаются двух типов в соответствии с нормами Spec 7 API и по ТУ 14-3-126-73, ТУ 14-3-755-78 и ТУ 26-12-802-90.[2]

На Рисунке 1 представлен продольный разрез буровой штанги, на Рисунке 2 - разрез по А-А Рисунок 1, на Рисунке 3 - профиль резьбы во взаимодействии с резьбой ответной детали, не входящей в состав буровой штанги.

 

Буровая штанга состоит из гильзы 1, выполненной в виде отрезка  буровой стали преимущественно  круглого проката с центральным каналом и связанных с гильзой по концам, например по резьбе, соединительных элементов: муфты 2 и ниппеля 3, снабженных резьбой на свободных концах, причем внутренняя резьба расположена на муфте, а наружная - на ниппеле. Резьба выполнена конической специальной замковой. Подобное выполнение буровой штанги с соединительными элементами на концах с одинаковой по параметрам резьбой позволяет собирать штанги в бурильные колонны. Параметры резьбы выбраны оптимальными с точки зрения уменьшения напряжений в резьбовом соединении по всей контактной поверхности элементов, составляющих штангу, и, следовательно, исключения поломок штанги в местах их соединения:

- шаг резьбы ρ=(10...12) мм;

- угол профиля α=40°...70°;

- высота профиля h=(7...12)мм;

- количество заходов - не более 3-х,

при этом диаметр большего основания  конуса с резьбой связан с внешним  диаметром штанги D следующим соотношением:

D 1,05d _р

при значениях D от 63 мм до 245 мм, а внутренний диаметр штанги d связан с большим диаметром основания конуса следующим соотношением:

d (0,8...0,9)d _р.

 

На внешней поверхности  штанги со стороны каждого из ее концов выполнено по паре лысок 4, 5 и 6, 7 в виде двух расположенных диаметрально противоположно плоскостей, равностоящих от оси штанги. Одна из перпендикулярных оси сторон каждой из лысок, размещенных со стороны муфты, имеющей внутреннюю резьбу, находится на расстоянии         ₁=0,25 D от торца штанги, а другая сторона каждой из упомянутых лысок - на расстоянии  ₂=1,5 D, а одна из перпендикулярных оси штанги сторон лысок, расположенных со стороны ниппеля, имеющего наружную резьбу, отстоит от соответствующего торца штанги на расстоянии B ₁=0,5 D, а другая сторона - на расстоянии В₂ =2,5 D.

 

Перпендикулярно каждой из пар лысок (4, 5 и 6, 7) выполнена дополнительно еще пара лысок (8, 9 и 10, 11) также в виде двух расположенных диаметрально противоположно плоскостей, размещенных относительно торцов штанги аналогично лыскам 4, 5 и 6, 7 соответственно.

 

Функционирует буровая штанга следующим образом.

Гильзу 1 соединяют с  муфтой 2 и ниппелем 3 любым способом, в том числе посредством резьбы.

Штанги, имеющие на своих  концах один и тот же тип соединительных элементов, свинчиванием соединяют  в бурильную колонну и таким же образом соединяют с буровым инструментом, например долотом. Удобство свинчивания обеспечивается наличием и фиксированным расположением лысок 4, 5 и 6, 7 под ключ.

Заявляемая буровая  штанга может быть использована в  угледобывающей промышленности для ударного бурения по породе, а также нефтяной и газовой промышленности.[2]

 

В Таблице 1 приведены размеры буровых штанг.

 

Таблица 1. [2]

 

Наименование детали.	Внешний диаметр, D мм.	Дина, L мм.	Толщина стенки, мм
Штанга буровая ф89х4000	89	4000	10
Штанга буровая ф89х5000	89	5000	10
Штанга буровая ф89х6000	89	6000	10
Штанга буровая ф102х6000	102	6000	10
Штанга буровая ф114х6000	114	6000	10

 

 

 

1.3. ВЫБОР МАРКИ СТАЛИ

Так как необходима высокая износостойкость буровой штанги, в качестве стали из которой она будет изготовлена, выбрана сталь 38Х2МЮА.

Поверхностная твердость  в этой стали после азотирования 12000..13000МПа.

Основные характеристики стали 20ХН3А приведены в таблицах 2 и 3

Таблица 2. Химический состав стали 38Х2МЮА[3]

Химический состав %, массовые
C	0.35-0.42
Mn	0.30-0.60
Si	0.2-0.45
Cr	1.35-1.65
Ni	До 0.3
P	До 0.025
S	До 0.025
Cu	0.30
Mo	0.15-0.25
Al	0.7-1.1

 

Таблица 3. Температура  критических точек стали 38Х2МЮА[3]

Ас1	Ас3	Аr3	Ar1	Mn
800	865	740	665	330

Таблица 4. Предварительная термическая обработка стали 38Х2ЬЮА[5]

Марка стали	Закалка	Отпуск	σβ, кгс\мм2	σ0,2, кгс\мм2	δ, %	Ψ,	ан, кгс*м/см2
38Х2МЮА	930-950 °С, масло, вода	600-675°С, масло	100	85	14	50	9

 

Предварительная термическая обработка  практически не оказывает влияния на механические свойства стали 38Х2МЮА так как она легирована Al.

 

2. ВЫБОР ПРОЦЕССА ХТО

Азотирование – процесс насыщения  металлов и сплавов азотом. Азотирование металлов и сплавов проводят с  целью повышения поверхностной  твердости, износостойкости, кавитационной стойкости, усталостной прочности и сопротивление коррозии.[6]

Цементация – процесс  насыщения поверхности стали  углеродом. В сочетании с последующей  термической обработкой проводится для повышения поверхностной  твердости, износостойкости и усталостной прочности.[6]

Силицирование – процесс диффузионного обогащения поверхности металлов и сплавов кремнием. Силицирование проводя тс целью повышения износостойкости, коррозионной стойкости.[6]

 

Так как основной задачей  проведения ХТО является повышение износостойкости, то из приведенных выше операций больше подходит процесс азотирования. Твердость азотированного слоя выше чем у цементованного и силицированного.

Так же основываясь на том, что марка стали из которой  будут изготавливаться буровые штанги 38Х2МЮА – нитролои, поверхностная твердость в этих сталях после азотирования 12000..13000 МПа. Высокая твердость обусловлена образованием нитридов высокой степени дисперсности

 

ВЫБОР ТЕХНОЛОГИИ ХТО

Для азотирования буровых  штанг, было выбрано азотрование в тлеющем разряде.

Ионное азотирование по сравнению с печным имеет следующие  преимущества:

1. Высокую скорость  насыщения;

2. получение диффузионных слоев заданного фазового состава и строения; возможность проведения регулируемых процессов азотирования;

3. незначительные деформации изделий в процессе обработки и высокий класс шероховатости поверхности;