Курсовая работа

по дисциплине: «Материаловедение и технология материалов»

На тему:

«Методы упрочнения стаканов цилиндров двигателей внутреннего сгорания»

Одесса 2010

Оглавление

1. 1.1 Введение

2. 1.2 Сталь №1

1.3 Химический состав в %

1.4 Режим термообработки

1.5 Выбор температуры нагрева и охлаждающей среды, вид отпуска

1.6 Изменение в структуре при нагреве и охлаждении

1. 1.7 Сталь при работе в условиях до 600 °C

2. 1.8 Свойства стали

3. 1.9 Методы изучения механических свойств

4. 1.10 Вывод

1.11 Список литературы

1.1 Вступление

Назначение гильз, требования к гильзам цилиндров.

Стенки цилиндра двигателя образуют совместно с поршнем, кольцами и поверхностью камеры сгорания пространство переменного объема, в котором совершаются все рабочие процессы двигателя внутреннего сгорания. Стенка цилиндра должна быть тщательно обработана и образовывает с поршневыми кольцами пару скольжения.

Цилиндры и гильзы цилиндров нагружаются силами давления газов, боковой нагрузкой от поршня и температурной нагрузкой. Переменная по величине и направлению боковая нагрузка вызывает изгиб и вибрацию цилиндра и ослабляет его крепление к картеру. Стенки цилиндра под действием возникающих при движении поршня сил трения подвергаются, кроме того, износу.

Гильзы цилиндров должны быть прочными, жесткими, износостойкими, обеспечивать, возможно, меньшие потери на трение поршня о поверхность цилиндра. Внешняя и внутренняя поверхность гильз должна обладать антикоррозионной устойчивостью. Конструкция гильз должна также обеспечивать надежность уплотнений в местах стыков гильз с головкой и блоком цилиндров.

Гильзы цилиндров могут, являются как самостоятельной конструкционной единицей двигателя («мокрые» и гильзы двигателей воздушного охлаждения), так и являться элементом ремонтной технологии, предусмотренной заводом изготовителем (например: «сухие» гильзы для двигателей, где цилиндры выполнены заодно с блок-картером).
В автомобильных и тракторных двигателях наибольшее распространение получили чугунные гильзы.

По конструкции гильзы цилиндра современных автомобильных и тракторных двигателей можно разделить на три основные группы:

1. «Мокрые» гильзы цилиндров.

2. «Сухие» гильзы цилиндров.

3. Гильзы для двигателей с воздушным охлаждением.

«Мокрые» гильзы. Конструкцией двигателя с водяным охлаждением предусмотрена полость в картере двигателя, так называемая «рубашка охлаждения». Гильза, соприкасающаяся свой поверхностью с охлаждающей жидкостью находящейся в «рубашке охлаждения» называется «Мокрой». «Мокрые» гильзы цилиндров обеспечивают лучший отвод тепла, но картер двигателя с такими гильзами обладает меньшей жесткостью. Большое распространение эти гильзы получили на грузовых и тракторных двигателях в силу своей высокой ремонтопригодности.

Как правило, выпускаемые производителями «мокрые» гильзы не требуют перед установкой, какой либо доработки. Изношенные «мокрые» гильзы в большинстве случаев не ремонтируют, а заменяют новыми без снятия двигателя с шасси. Для предотвращения прорыва газов в охлаждающую жидкость и просачивания этой жидкости в цилиндр и картер двигателя «мокрые» гильзы комплектуются уплотнительными прокладками. Внутренняя поверхность гильз тщательно обрабатывается (хонингуется)для того что бы обеспечить наличие требуемой масляной пленки для смазки поршневых колец. Двигатели с «мокрыми» гильзами устанавливаются почти на все современные коммерческие автомобили.

«Сухие» гильзы. Гильзы, не имеющие соприкосновения с охлаждающей жидкостью, называются «сухими» гильзами. Конструкцией некоторых двигателей предусмотрена заливка при изготовлении в блок картер гильз изготовленных из износостойкого материала, создавая тем самым оптимальные условия для работы цилиндропоршневой группы. Например, некоторые модели двигатели HONDA, Lend Rover,Volkswagen , AUDI,VOLVO и многих других производителей имеют алюминиевый блок цилиндров (для уменьшения веса силового агрегата) и залитые в него «сухие» гильзы (для увеличения ресурса и повышения ремонтопригодности).
Но самое широкое распространение «сухие» гильзы получили в сфере капитального ремонта двигателя.

Не «загильзованный» блок цилиндров современного двигателя имеет несколько, предусмотренных технологией, расточек с последующей установкой в него ремонтных поршней. Установка «сухих» гильз позволяет не менять блок двигателя даже после износа цилиндра расточенного в последний ремонтный размер.

Производители гильз выпускают так называемые, заготовки гильз, то есть гильзы имеющие запас по длине и внешнему диаметру, которые после токарной обработки запрессовываются с натягом в блок цилиндров. Такие гильзы как правило не имеют обработки внутренней поверхности. Они растачиваются и хонингуются только после установки гильзы в блок цилиндров.

Поверхность блока цилиндров под установку тоже повергается тщательной обработке: расточке и в некоторых случаях хонингованию. Гильза с упором устанавливается в блок под давлением, с натягом (в среднем 0,03-0,04 мм), для гильз, не имеющих упора натяг больше. Наружная поверхность «сухих» ремонтных гильз, как правило, подвергается шлифовке, для увеличения плотности прилегания к блоку цилиндров.
Гильзы могут фиксироваться при установке верхним буртом, нижним буртом или вообще могут устанавливаться без упора.

Некоторые японские производители, например ISUZU, изготавливают двигатели с тонкостенными стальными гильзами, имеющими покрытие из пористого хрома железом.

Такие гильзы не подвергаются механической обработке и устанавливаются в блок цилиндров без натяга, с небольшим усилием и удерживаются в блоке за счет прижатия широкого бурта гильзы головкой блока.

Блок картер с сухими гильзами имеет повышенную жесткость по сравнению с блоком, с установленными «мокрыми» гильзами.

Гильзы цилиндров для двигателей с воздушным охлаждением. В двигателях воздушного охлаждения конструкция оребрения и необходимость создания охлаждающих воздушных потоков не позволяют применять блок-картерный тип отливки. В этих двигателях применяют отдельно отлитые цилиндры с воздушными ребрами, расположенными чаще всего перпендикулярно оси цилиндра.

Эти гильзы цилиндра крепятся к верхней части картера короткими шпильками через опорный фланец (несущие цилиндры) или при помощи анкерных (несущих) шпилек.

Гильзы цилиндров двигателей воздушного охлаждения изготавливают как из одного (монометаллические), так и из двух (биметаллические) металлов.

Монометаллические цилиндры делают из чугуна, реже из стали или легких сплавов. Из биметаллических цилиндров получили распространение чугунные или стальные цилиндры с залитыми (или навитыми) алюминиевыми ребрами.

Широкое распространение двигатели с воздушным охлаждением получили среди производителей тяжелой строительной техники. Ярким примером является всемирно известный производитель индустриальных двигателей немецкая фирма DEUTZ.

1.2 Сравнение сталей

1. Характеристика материала 20Х.

   1. Общие сведения

Заменитель

стали: 15Х, 20ХН, 12ХН2, 18ХГТ.

Вид поставки

Сортовой прокат, в том числе фасонный: ГОСТ 4543-71, ГОСТ 2590-71, ГОСТ 2591-71, ГОСТ 2879-69, ГОСТ 10702-78. Калиброванный пруток ГОСТ 7414-75, ГОСТ 8559-75, ГОСТ 8560-78, ГОСТ 1051-73. Шлифованный пруток и серебрянка ГОСТ 14955-77. Лист толстый ГОСТ 1577-81, ГОСТ 19903-74. Полоса ГОСТ 82-70, ГОСТ 103-76. Поковки и кованые заготовки ГОСТ 8479-70, ГОСТ 1131-71. Трубы ГОСТ 8732-78, ГОСТ 8733-87, ГОСТ 8734-75, ГОСТ 13663-68.

Назначение

втулки, шестерни, обоймы, гильзы, диски, плунжеры, рычаги и другие цементируемые детали, к которым предъявляется требование высокой поверхностной твердости при невысокой прочности сердцевины, детали, работающие в условиях износа при трении.

1. Химический состав

Химический элемент	%
Кремний (Si)	0.17-0.37
Медь (Cu), не более	0.30
Марганец (Mn)	0.50-0.80
Никель (Ni), не более	0.30
Фосфор (P), не более	0.035
Хром (Cr)	0.70-1.00
Сера (S), не более	0.035

1. Механические свойства

Механические свойства при повышенных температурах

t испытания, °C	0,2, МПа		B, МПа	5, %		, %
Образец диаметром 6 мм, длиной 30 мм кованый и нормализованный. Скорость деформирования 16 мм/мин. Скорость деформации 0,009 1/с.
700		120			150		48		89
800		63			93		56		74
900		51			84		64		88
1000		33			51		78		97
1100		21			33		98		100
1200		14			25

Механические свойства проката

Термообработка, состояние поставки	Сечение, мм	0,2, МПа	B, МПа	5, %	, %	KCU, Дж/м2	HB	HRCэ
Пруток. Закалка 880 °С, вода или масло; закалка 770-820 °С, вода или масло; отпуск 180 °С, воздух или масло	15	640	780	11	40	59
Сталь нагартованная калиброванная со специальной отделкой без термообработки			590	5	45		207
Пруток. Цементация 920-950 °С, воздух; закалка 800 °С, масло; отпуск 190 °С, воздух.	60	390	640	13	40	49	250	55-63

Механические свойства поковок

Термообработка, состояние поставки	Сечение, мм	0,2, МПа	B, МПа	5, %	, %	KCU, Дж/м2	HB
Нормализация
КП 195	<100	195	390	26	55	59	111-156
КП 195	100-300	195	390	23	50	54	111-156
КП 195	300-500	195	390	20	45	49	111-156
КП 215	<100	215	430	24	53	54	123-167
КП 215	100-300	215	430	20	48	49	123-167
КП 245	<100	245	470	22	48	49	143-179
Закалка. Отпуск.
КП 245	100-300	245	470	19	42	39	143-179
КП 275	<100	275	530	20	40	44	156-197
КП 275	100-300	275	530	17	38	34	156-197
КП 315	100-300	315	570	14	35	34	167-207
КП 345	100-300	345	590	17	40	54	174-217

Механические свойства в зависимости от температуры отпуска

t отпуска, °С	0,2, МПа		B, МПа	5, %		, %		KCU, Дж/м2
Пруток диаметром 25 мм. Закалка 900 °С, масло.
200		650			880		18			58	118
300		690			880		16			65	147
400		690			850		18			70	176
500		670			780		20			71	196
600		610			730		20			70	225

2. Технологические свойства

   Температура ковки

   Начала 1260, конца 760. Заготовки сечением до 200 мм охлаждаются на воздухе, 201-700 мм подвергаются низкотемпературному отжигу.

   Свариваемость

   сваривается без ограничений (кроме химико-термически обработанных деталей). Способы сварки: РДС, КТС без ограничений.

   Обрабатываемость резанием

   В горячекатаном состоянии при НВ 131 и B = 460 МПа K тв.спл. = 1.7, K б.ст. = 1.3 [81].

   Склонность к отпускной способности

   не склонна

   Флокеночувствительность

   малочувствительна

4. Температура критических точек

   Критическая точка	°С
   Ac1	750
   Ac3	825
   Ar3	755
   Ar1	665
   Mn	390

6. Ударная вязкость Ударная вязкость, KCU, Дж/см²

Состояние поставки, термообработка	+20	-20	-40	-60
Пруток диаметром 115 мм. Закалка. Отпуск.	280-286	280-289	277-287	261-274

Предел выносливости

-1, МПа	n	B, МПа	0,2, МПа	Термообработка, состояние стали
235	1Е+7	450-590	295-395	Нормализация. НВ 143-179
295	1Е+7	690	490	Закалка. Высокий отпуск. НВ 217-235
412	1Е+7	930	790	Цементация. Закалка. Низкий отпуск. HRCэ 57-63

2. Прокаливаемость

Закалка 860 С. Твердость для полос прокаливаемости HRCэ.

Расстояние от торца, мм / HRC э
1.5	3	4.5	6	7.5	9	10.5	12	13.5	18
38,5-49	34-46,5	29-44	24,5-40	22-35,5	32,5	30	28,5	27	24,5

Кол-во мартенсита, %	Крит.диам. в воде, мм	Крит.диам. в масле, мм	Крит. твердость, HRCэ
50	26-48	8-24	32-36
90	12-28	3-9	38-42

2. Физические свойства

Температура испытания, °С	20	100	200	300	400	500	600	700	800	900
Модуль нормальной упругости, Е, ГПа	216	213	198	193	181	171	165	143	133
Модуль упругости при сдвиге кручением G, ГПа	84	83	76	74	71	67	62	55	50
Плотность, pn, кг/см3	7830	7810	7780		7710		7640
Коэффициент теплопроводности Вт/(м	42	42	41	40	38	36	33	32	31
Температура испытания, °С	20- 100	20- 200	20- 300	20- 400	20- 500	20- 600	20- 700	20- 800	20- 900	20- 1000
Коэффициент линейного расширения (a, 10-6 1/°С)	10.5	11.6	12.4	13.1	13.6	14.0
Удельная теплоемкость (С, Дж/(кг · °С))	496	508	525	537	567	588	626	706

Обоснование выбора стали