Стали и упрочняющая обработка для типовых деталей машин

Валы. В зависимости от условий эксплуатации стойкость валов определяется усталостной прочностью при кручении и изгибе, контактной прочностью или износостойкостью.

Малонагруженные медленно вращающиеся валы изготовляют из сталей 35, 40, 45 и Ст.3, Ст.4, Ст.5 без термической обработки.

Если работоспособность валов зависит от прочности на изгиб и кручение (не зависит от контактной выносливости и износостойкости), то

– средненагруженные валы (до 80–100 мм) изготовляют из сталей 45, 40Х, 50Х с улучшением (σ_в = 800–1000 МПа; НВ 217–285);

– высоконагруженные валы (Ø 100–130 мм) – из хромоникелевых и хромомолибденовых глубоко прокаливающихся сталей 50ХН, 40ХНМА, 34ХНЗМА с улучшением (σ_в ³ 1000 МПа);

– особо ответственные (в турбо- и компрессоростроении) – из еще более легированных 30ХН2ВФА, 36ХНТМФА, З8ХН3МФА, 30Х2НВФА с улучшением.

Валы небольших размеров (гладкие, ступенчатые, шлицевые), работоспособность которых зависит от контактной выносливости и износостойкости (с поверхностной твердостью НRС 48–50) изготовляют из сталей 45, 50 с поверхностной закалкой ТВЧ или с улучшением и поверхностной закалкой и самоотпуском.

Валы покрупнее – из более прокаливающихся сталей 40Х, 40ХГТ с улучшением и поверхностной закалкой ТВЧ с самоотпуском.

Валы быстроходные и более износостойкие (НRС 56–58) – из 20Х, 18ГТ, I2XH3A (иногда 35Х2ГНТА) с цементацией, закалкой и низким отпуском.

Особо высоким сопротивлением изнашиванию обладают валы из стали 38ХМЮА после улучшения и азотирования.

Шестерни, зубчатые колеса. Шестерни и зубчатые колеса наиболее часто выходят из строя из-за контактного усталостного разрушения, торцового износа, заедания зубьев и их поломки при кратковременных перегрузках. Поэтому материал для них должен обеспечивать высокую поверхностную износостойкость, достаточную статистическую усталостную прочность при изгибе и контактном нагружении и подбираться, исходя из габаритов и конструкции шестерни, а также условий эксплуатации.

Указанным требованиям наиболее соответствуют цементуемые (нитроцементуемые) легированные стали, у которых после термообработки структура:

– поверхностного слоя – мартенсит отпуска;

– сердцевины – феррито-цементитные смеси различной дисперсности, бейнит или низкоуглеродистый отпущенный мартенсит.

Выбор марки стали и метода ее упрочнения для шестерен производят в зависимости от степени их нагруженности:

– мало- и средненагруженные зубчатые колеса – коробки передач, редукторов, задних мостов изготовляют:

1) из безникелевых сталей – 20Х, 18ХГТ, 25ХГТ, 30ХГТ, 20ХГР;

2) из малоникелевых – 20ХГНМ, 19ХГН, 20ХНМ, 20ХНР, 20ХГНР сталей;

– тяжелонагруженные, например, большегрузных автомобилей - из более легированных сталей – 12ХН3А, 20ХНЗА, 15ХГН2ТА, 15Х2ГНТРА, 20ХГН2ТА, 25Х2ГНТА.

Упрочняющая обработка шестерен включает:

– цементацию (нитроцементецию) при 900–930°С;

– закалку от 800–850°С в масле;

– низкий отпуск при 170–200°С.

Толщина упрочненного слоя обычно принимается равной 0,15 толщины зуба по начальной окружности (0,18–0,27m, m – модуль колеса, но не более 1,8 мм).

Твердость поверхности HRC 59–63 – для обеспечения высокой контактной выносливости и износостойкости без хрупкого разрушения.

Твердость сердцевины зубьев обычно HRC 30–42, c ее повышением возрастает предел прочности и выносливости при изгибе и контактная выносливость зубчатых колес.

Твердость сердцевины:

– более HRC 42–45 увеличивает опасность хрупкого разрушения;

– пониженная – способствует развитию пластической деформации в теле зуба и, следовательно, разрушению упрочненного слоя.

Мало- и средненагруженные шестерни можно изготовлять:

– в единичном и мелкосерийном производстве из улучшаемых сталей 40, 45, 50Г, 40Х, 30ХГС, 50Х, 50ХН с закалкой ТВЧ по контуру зубчатого венца;

– шестерни больших диаметров – изготовлять литыми из сталей 35Л–50Л, 40ХЛ, 30ХГСА с нормализацией и высоким отпуском (для легированных сталей).

Нормали. Нормали – болты, винты, гайки, шпильки изготовляют из улучшаемых углеродистых и легированных сталей.

Разрушение их в конструкциях бывает вязким (из-за низкой прочности в нетермообработанном состоянии или при недостаточной твердости) и хрупким, наиболее опасным, (из-за высокой твердости или поверхностного наклепа, не снятого рекристаллизационным отжигом).

Установлено, что максимальной хрупкой прочности соответствует твердость HRC 30–35. Поэтому детали крепежа, работающие без высоких напряжений, изготовляют из сталей 40, 40Х, 30ХГС нормализованными (HRC 25–30); испытывающие высокие и сложные напряжения – из 40Х, 40ХН, 40ХНМА улучшенными или нормализованными (HRC 30–35).

Крепежные детали, получаемые холодной высадкой, нормализуют (880–900°С) для снятия наклепа.

Пружины, рессоры. Рессоры и пружины должны обладать высоким пределом упругости и сопротивлением усталости, в них не допустима пластическая деформация и, следовательно, не нужна высокая ударная вязкость и пластичность.

Поэтому их изготовляют из специальных рессорно-пружинных сталей, главное свойство которых – высокий предел упругости (текучести) для углеродистых ³800 МПа, а для легированных – ³1000 МПа при пластичности δ = 5%, ψ = 20–25%.

Повышенные значения предела упругости этих сталей достигаются закалкой и средним отпуском (400–500°С) на троостит.

Для изготовления рессор и пружин необходимо выбирать сталь, состав которой обеспечивает сквозную прокаливаемость изделия и структуру троостита по всему сечению.

Поэтому пружины небольших сечений, испытывающие невысокие напряжения, изготовляют из углеродистых сталей 65, 70, 75, 85 с закалкой в масле; пружины больших сечений (до 5–8 мм) – с закалкой в воде и средним отпуском; крупные и высоконагруженные пружины и рессоры (пружины валов, автомобильные рессоры, торсионные валы) изготовляют из кремнистых сталей 55С2, 60С2А, 70СЗА и более легированных – 50ХГА, 50ХГФА, 60С2ХФА, 65С2ВА, 60С2Н2А, термическая обработка которых состоит из закалки (800–650°С) в масле или воде и отпуска (400–500°С) на троостит (HRC 35–45, σ_в = 1300–1600 МПа).

Нередко пружины изготовляют из патентированной холоднотянутой проволоки и ленты из сталей 65, 65Г, 70, высокие механические свойства которых достигаются патентированием и последующим протягиванием (степень деформации ³ 70%).

Патентирование – нагрев выше Ас₃ на 150–200°С и быстрое охлаждение при 450–550°С – относится к отжигу 2-го рода и является разновидностью изотермической обработки. Структура по выходе из ванны – дисперсная феррито-цементитная смесь, называемая сорбитом патентирования или трооститом.

Кроме патентированных сталей, используют также углеродистые инструментальные У7, У8, У9, У10 в виде холоднотянутой проволоки (серебрянки). Наклеп (нагартовка) их холодным протягиванием создает высокую твердость и упругость. Патентируют и протягивают ленту и проволоку на металлургических заводах, а на машиностроительных производят только навивку пружин и отпуск (250–350°С) для снятия напряжений.

Прокаливаемость

Под прокаливаемостью подразумевают глубину проникновения закаленной зоны[2].

Несквозная прокаливаемость объясняется тем, что при закалке деталь охлаждается быстрее с поверхности и медленнее – в сердцевине.

При закалке скорость охлаждения распределяется по сечению так, как это показано на рис. 2.1, а, пунктирной линией; у поверхности скорость охлаждения максимальная, в центре – минимальная. Если критическая скорость закалки равна величине, показанной на этой схеме горизонтальной пунктирной линией, то деталь не прокаливается насквозь, и глубина закалки будет равна заштрихованному слою (рис. 2.1, а).

Очевидно, с уменьшением критической скорости закалки увеличивается и глубина закаленного слоя, и если v_K будет меньше скорости охлаждения в центре, то это сечение закалится насквозь.

Рис. 2.1. Схемы, показывающие различную скорость охлаждения по сечению

и всвязис этим несквозную прокаливаемость

Если сечение велико и скорость охлаждения на поверхности меньше v_K, то при данном способе закалки сталь не закалится даже на поверхности.

Следовательно, чем меньше v_K , тем глубже прокаливаемость.

Прокаливаемость, как и v_K, тесно связана со скоростью превращения аустенита в перлит и, следовательно, с расположением кривой начала превращения на С-диаграмме.

Предположим, что имеем цилиндрическую деталь.

Кривые охлаждения центра, поверхности и сечения, расположенного на половине радиуса от поверхности, наложенные на С-диаграмму, показаны на рис. 2.1, б.

Для данной стали при данных условиях охлаждения на поверхности получится мартенситная структура, в цeнтре – перлитная, на расстоянии половины радиуса получится мартенсит + троостит.

Если С-кривая располагается правее, чем показано на рис. 2.1, б, вследствие большей устойчивости переохлажденного аустенита, то, очевидно, прокаливаемость увеличится.

Следовательно, чем медленнее происходит превращение аустенита в перлит, чем правее расположены линии на диаграмме изотермического распада аустенита, тем глубже прокаливаемость.

Для практической оценки прокаливаемости пользуются величиной, которая называется критическим диаметром.

Критический диаметр Д_K – это максимальный диаметр цилиндрического прутка, который прокаливается насквозь в данном охладителе. Следовательно, для данной стали каждой закалочной среде соответствует свой критический диаметр. Очевидно, чем интенсивнее охлаждает закалочная среда, тем больше величина критического диаметра.

На рис. 2.2 показана глубина закалки (незаштрихованная часть сечения) закаленных в воде и масле образцов различного диаметра одной и той же стали.

Распределение закаленной и незакаленной зон показывает, что для каждого охладителя есть максимальное сечение, прокаливающееся насквозь D_К, причем D_{К m} < D_{К b} так как масло охлаждает медленнее, чем вода.

Критический диаметр – важная и удобная величина приназначении марки стали на изделие.

Если нужно, чтобы изделие при термической обработке прокаливалось насквозь, следует выбрать такую сталь, чтобы критический диаметр был больше диаметра изделия.

Рис. 2.2. Прокаливаемость прутков различного размера при закалке в воде

и масле (заштрихована незакаленная сердцевина)

Цементация стали

При цементации происходит поверхностное насыщение стали углеродом, в результате чего получается высокоуглеродистый поверхностный слой. Поскольку для цементации берут низкоуглеродистую сталь, то сердцевина остается мягкой и вязкой, несмотря на то, что после цементации сталь подвергается закалке.

Различают два вида цементации: твердую и газовую.

При твердой цементации детали запаковывают в ящик, наполненный карбюризатором – науглероживающим веществом.

Карбюризатором является древесный уголь с различными добавками.

В ящике в промежутках между кусочками древесного угля, имеется воздух, кислород которого при температуре процесса (900–950°С) соединяется с углеродом, образуя окись углерода СО (образуется именно СО, а не СО₂ из-за недостатка кислорода).

Однако при температурах процесса окись углерода неустойчива и при контакте с железной поверхностью разлагается по реакции:

2СО ® СО₂ + С (1)

с образованием атомарного углерода, который поглощается поверхностью.

Таким образом, и при твердой цементации процесс протекает с образованием газовой фазы, т. е. цементация осуществляется газом, образовавшимся в ящике из карбюризатора.

Добавление к углю углекислых солей ВаСО₃, Na₂CO₃ (сода), K₂СО₃ (поташ) активизирует карбюризатор вследствие образования углекислого газа при разложении солей и реакции с углем:

ВаСО₈ ® ВаО + СО₂

О₂ + С ® 2СО

2СО ® СО₂ + С.

Применяемые на производстве карбюризаторы обычно содержат 10–30% углекислых солей.

Процесс твердой цементации – продолжительная операция и занимает в зависимости от требуемой глубины цементации часто не один десяток часов. Даже для образования слоя малой глубины, например в 1 мм, продолжительность цементации составляет несколько часов. Такая большая продолжительность процесса объясняется главным образом малой скоростью прогрева ящика, наполненного нетеплопроводным карбюризатором.

Увеличение скорости цементации достигается применением цементации в газовых средах.

При газовой цементации герметически закрытая камера печи наполнена цементирующим газом (чаще с определенной скоростью через камеру проходит газ). Время на прогрев ящика и карбюризатора при этом способе цементации не затрачивается, и скорость цементации (получение заданной глубины слоя) возрастет в тем большей относительной степени, чем меньшей глубины слой требуется получить.

Сейчас для массового производства газовая цементация является основным процессом цементации и только для мелкосерийного или единичного производства экономически целесообразен более простой способ твердой цементации.

Газовая цементация осуществляется в стационарных или методических (непрерывно действующих) конвейерных печах. Цементирующий газ приготавливают отдельно и подают в цементационную реторту.

Цементирующими газами являются окись углерода и газообразные углеводороды. Разложение этих соединений приводит к образованию активного атомарного углерода:

2СО ® СО₂ + С (2)

С_nН_2n ® 2nН + пС (3)

С_nН_{2nn + 2} ® (2n + 2)Н + пС (4)

Наибольшее распространение в качестве газовых карбюризаторов получили предельные углеводороды (СН_{2n + 2}) – метан, этан, пропан, бутан и др., а из них – метан в виде естественного газа (92–96% СН₄).

Кроме естественного газа, применение получила цементация бензолом, который в виде капель подают в цементационную реторту, где образуется газ, состоящий главным образом из метана, окиси углерода и свободного водорода.

Как видно из приведенных выше реакций (3), (4), в результате распада углеводородных соединений образуется свободный углерод. Если поверхность стали не поглощает весь выделяющийся углерод (абсорбция отстает от диссоциации), то свободный углерод, кристаллизуясь из газовой фазы, откладывается в виде плотной пленки сажи на детали, затрудняя процесс цементации.

Поэтому для рационального ведения процесса газовой цементации нужно иметь газ определенного состава и регламентировать его расход.

Цементацию ниже критической точки Ас₁не проводят, т. к. α-железо почти не растворяет углерод и при цементации ниже А₁образуется лишь поверхностная корочка цементита очень небольшой толщины.

Практически цементацию проводят при 900–930°С, но имеется тенденция повысить температуру цементации до 950–970°С и выше.

Повышение температуры цементации, как следует из общих представлений о процессе диффузии, резко увеличивает глубину слоя.

Содержание углерода в поверхностном слое определяется при данной температуре пределом растворимости углерода в аустените (т. е. линией SE диаграммы железо – углерод). Следовательно, чем выше температура цементации, тем больше содержание углерода на поверхности (но оно не превосходит 2%).

Таким образом, на поверхности содержание углерода отвечает проекции точки, лежащей на линии SE диаграммы железо – углерод при данной температуре, и затем постепенно падает с удалением от поверхности в глубину изделия, доходя до исходного содержания углерода в цементуемой стали.

Таким образом, при температуре цементации в диффузионном слое получается аустенит переменной концентрации от 1,2–1,3% С (при температуре процесса 900°С) до 0,10–0,15% С.

При охлаждении от температуры цементации до нормальной произойдет превращение в соответствии с содержанием углерода в данном слое.

Структура цементированного слоя после медленного охлаждения от температуры цементации показана на рис. 2.3. Поверхностная зона, в которой углерода больше 0,8–0,9%, имеет структуру перлит + цементит – это так называемая заэвтектоидная зона; затем следует зона с содержанием углерода около 0,8% – это эвтектоидная зона и, наконец, доэвтектоидная зона, содержащая углерода менее 0,7%, плавно переходящая в структуру сердцевины.

Цементацию рекомендуется проводить так, чтобы содержание углерода в наружном слое не превышало 1,1–1,2%. Более высокое содержание углерода приводит к образованию значительных количеств вторичного цементита, сообщающего слою повышенную хрупкость.

Для этого не следует доводить концентрацию углерода на поверхности до предельной, определяемой линией ES диаграммы Fe – С, что можно сделать, уменьшив цементитную активность среды.

Для более эффективного ведения процесса цементации его вначале проводят при более высокой температуре, получая более высокую концентрацию углерода (1,3–1,4%),а затем, снижая температуру и углеродный потенциал, добиваются за счет диффузии из пересыщенных углеродом поверхностных слоев нужной концентрации углерода (0,8% С).

Нормальная структура заэвтектоидной зоны – пластинчатый перлит, окаймленный тонкой сеткой вторичного цементита (рис. 2.4, а). Однако иногда встречается и так называемая анормальная структура,в которой избыточный цементит находится в виде массивных включений (рис. 2.4, б) и зачастую окружен свободным ферритом. Эти грубые включения цементита при нагреве с трудом переходят в твердый раствор, который в этих местах не насыщен углеродом. Мягкие пятна, получающиеся после закалки на поверхности цементированных деталей, образуются часто у сталей, склонных к образованию анормальной структуры.

Задача цементации – получить высокую поверхностную твердость и износоустойчивость при вязкой сердцевине – не решается одной цементацией. Цементацией достигается лишь выгодное распределение углерода по сечению. Окончательно формирует свойства цементованной детали последующая закалка, при которой на поверхности получается высокоуглеродистый мартенсит, а в сердцевине сохраняется низкая твердость и высокая вязкость.

Pиc. 2.3. Mикpocтpyктypa цeмeнтиpoвaннoгo слоя пocлe медленнoгo oxлаждения

Рис. 2.4. Микроструктура заэвтектоидного слоя, × 500:

а – нормальная; б – анормальная

Типичные режимы термической обработки показаны на рис. 2.5.

Рис. 2.5. Режимы термической обработки цементированных деталей

Обычно закалку производят с цементационного нагрева, иногда после некоторого подстуживания и обработки холодом (рис. 2.5, а). Хотя этот режим самый экономичный в смысле продолжительности процесса и расхода топлива, он сохраняет крупнозернистость поверхностного слоя и сердцевину, зерно аустенита выросло в процессе длительного нагрева при цементации.

Поэтому когда к цементованным изделиям предъявляют повышенные требования в отношении механических свойств после цементации, охлаждение производят медленное и затем дается закалка с повторного нагрева (рис. 2.5, б)или даже двойная закалка (первая выше Ас₃для сердцевины, вторая выше Ас₁для поверхности (рис. 2.5, в). Многочисленные нагревы вызывают изменение размеров, поэтому, если термическая обработка дается по режимам на рис. 2.5, б или на рис. 2.5, в,цементированные изделия должны проходить шлифовку («под размер»), что обычно не делается в случае закалки с цементационного нагрева.

Если цементировали слабо прокаливающуюся углеродистую сталь, то структура сердцевины цементируемой углеродистой стали независимо от режима обработки состоит из перлита и феррита, отличающихся разным размером зерна (мелкозернистая в случае двойной обработки, более крупнозернистая – при одинарной, рис. 2.6, а, б).

Рис. 2.6. Микроструктура сердцевины цементированной углеродистой стали,

феррит + перлит, × 250:

а – закалка непосредственно после цементации;

б – закалка после регенерации зерна

В сердцевине цементированной детали из легированной глубоко-прокаливающейся стали образуется мартенсит (рис. 2.7). Ввиду низкого содержания углерода в таком мартенсите он не обладает хрупкостью.

Рис. 2.7. Микроструктура сердцевины цементированной

легированной стали, × 250

Во всех случаях цементированные детали после закалки для снятия внутренних напряжений подвергают отпуску при низкой температуре (150–200°С).

В результате такой обработки (закалка + низкий отпуск) поверхность должна иметь твердость 58–62 HRC, а сердцевина – 25–35 HRC для легированных и менее <20 HRC для углеродистых сталей.