Выбор и обоснование марки легированной

Стали для заданных изделий.

12.1.1. Приобретение практических навыков в работе со справочной литературой по выбору легированной стали, для деталей в зависимости от условий работы.

Последовательность выбора материалов для изделий

Различного назначения

1. Назначение изделия

Начинать нужно именно с назначения изделия (указывается в задании), поскольку оно сразу определяет тип материала. Все изучаемые в данном курсе материалы можно разделить по назначению на два основных типа – конструкционные, применяемые для широкого круга деталей машин, приборов, различного оборудования, и инструментальные. Инструментальными являются стали, классифицируемые по назначению инструмента, и твердые сплавы. Все остальные материалы можно считать конструкционными – это чугуны, стали (они также подразделяются на группы по назначению деталей) и сплавы цветных металлов.

Если в задании конкретизируется вид изделия, то это прямое указание на определенную группу сталей. Например, очевидно, что для фрез, метчиков, сверл нужно использовать стали для режущего инструмента, а для пружин – рессорно-пружинные стали.

Если требуется выбор материала для изделий «специфического назначения» (например, постоянных магнитов, сердечников трансформаторов, электронагревательных элементов и т.п.), то это, скорее всего, будут стали и сплавы с особыми свойствами.

Следующим важным этапом выбора материала является анализ условий работы изделия.

2. Условия работы изделия

а) Величина нагрузки и характер нагруженияопределяют требования по механическим свойствам; обычно они указаны в задании – чаще прочность (σ _В ^или σ_0,2) и твердость (HRC; НВ; НV).

Величина твердости зависит от содержания углерода в стали и вида (температуры) отпуска. Максимальной твердости 60…65 HRC соответствует низкий (≈200 °С) отпуск стали, содержащей ≥ 0,8 % С. Это инструментальные стали (для режущего, измерительного, холодноштампового инструмента) или цементованные низкоотпущенные детали (из цементуемых низкоуглеродистых сталей), поверхностный слой которых содержит такое же количество углерода.

Величина прочности (σ_В) в заданиях указывается обычно для ответственных (нагруженных) деталей, изготавливаемых из качественных углеродистых и легированных сталей, обязательно упрочняемых путем закалки и отпуска. Вспомним, что окончательная структура и свойства (в частности σ_В) стали зависят от температуры отпуска. Стали применяемые для разных групп однотипных изделий проходят присущий им вид отпуска (цементуемые - низкий, улучшаемые - высокий, рессорно-пружинные - средний виды отпуска), формирующий необходимый комплекс механических свойств. Все сведения по химическому составу, режимам термической обработки и механическим свойствам основных групп конструкционных сталей обычно приводятся в учебной литературе в виде сводных таблиц (см., приложение)поэтому, если группа сталей по назначению определена, величина σ_Впоможет выбрать конкретную марку (и режим термической обработки) стали.

Характер нагружениятакже является подсказкой в выборе марки стали и режима термической обработки. Динамические (ударные) нагрузки способствуют охрупчиванию материала. Поэтому соответствующие детали должны обладать повышенной ударной вязкостью и пластичностью. Известно, что эти характеристики улучшаются с уменьшением содержания углерода в стали и повышением температуры отпуска. Отсюда для таких деталей (валы, рычаги, ответственный крепеж и т.п.) должны применяться стали с содержанием углерода не выше 0,3…0,5 % после высокого отпуска.

б) Особые условия работы

В основном это температура эксплуатации изделия и химическая активность окружающей среды – они определяют требования по особым физико- механическим свойствам.

Если в задании идет речь об эксплуатации нагруженных деталей машин при t > 600°С (например, лопатки турбин), то это жаропрочные легированные стали и сплавы.

Если требуется выбор материала для инструмента, нагревающегося при работе до t ≤ 600 °С, то это могут быть штамповые стали для горячего деформирования металла (молотовые штампы, пресс-формы для литья под давлением) либо теплостойкие быстрорежущие стали и твердые сплавы на карбидной основе (рабочая t = 800…900 °С), используемые для режущего инструмента.

Для изделий, работающих в химически агрессивных средах, очевидно, нужны коррозионностойкие (нержавеющие) стали.

3. Размер (сечение) изделия

Если в задании указан диаметр изделия, то речь идет о прокаливаемости стали – способности закаливаться (приобретать мартенситную структуру) на определенную глубину. Для большинства ответственных изделий требуется сквозная прокаливаемость. В углеродистых сталях она не превышает 10...12 мм. В легированных сталях прокаливаемость тем больше, чем выше суммарное количество легирующих элементов в марке. Поэтому конкретизировать выбор марки стали данной группы логично по величине прокаливаемости (определяется критическим диаметром Dкр), сведения о которой имеются в учебной литературе .

4. Технология изготовления изделия

Если в задании указана технология изготовления изделия – литье, обработка давлением, то это служит дополнительным ориентиром выбора материала.

Основным требованием к материалу, используемому для формования изделий методами обработки давлением (особенно холодной штамповки), является его высокая пластичность. Величина пластичности сталей падает с увеличением содержания углерода, поэтому в данном случае оптимален выбор конструкционных сталей обыкновенного качества и качественных с минимальным содержанием углерода.

Литейные свойства (главным образом жидкотекучесть, заполняемость формы) тем лучше, чем уже температурный интервал кристаллизации металла. Поэтому наилучшими литейными свойствами среди железоуглеродистых сталей обладают чугуны.

5. Экономичность

Главной целью выбора материалов является обеспечение необходимого комплекса эксплуатационных свойств (что обсуждалось выше), определяющих работоспособность изделий. Однако оптимизация выбора предполагает и учет экономического фактора. Особенно это важно в условиях массового производства изделий. Экономическая целесообразность выбора зависит не только от стоимости и доступности самого материала, но также экономичности технологий изготовления и упрочнения изделий и ряда других факторов. Очевидно, что в рамках контрольной работы задача оптимизации выбора материала по экономическим показателям не может быть решена.

Задание для выполнения работы

Используя справочную литературу, выбрать и обосновать марку легированной стали для изготовления деталей или инструмента, изучить её химический состав и механические свойства.

Таблица 12.1

Исходные данные по выбору марки легированной стали

Номер варианта	Заданные детали и инструмент	Номер варианта	Заданные детали и инструмент
	а) распределительный вал б) червяк в) сверло		а) вал центробежного насоса б) кислородный баллон в) сверло 15 мм
	а) рулевые червяки б) продольные балки в) долото		а) зубило б) баллон для пропан-бутана в) выпускной клапан
	а) резец проходной б) крестовины кардана в) сварочные трубы Æ530 мм		а) плашка б) штангенциркуль в) пружина
	а) поршневые пальцы б) крестовина в) рессора		а) развертка б) полуоси в) бесшовная труба для ППД
	а) шатуны б) пружины в) толкатели		а) поворотная цапфа б) рулевые червяки в) холодные штампы
	а) шестерни б) сварочная труба Æ 168х12 мм в) крепежные болты		а) криогенное оборудование б) рессорные листы в) шестерни коробки передач
	а) фланец задвижки б) плунжер топливной аппаратуры в) подшипник качения		а) буфер б) метчики в) шлицевые наконечники
8.	а) шаровые пальцы б) штангенциркуль в) кривошип		а) каретка синхронизатора б) корпус газовой задвижки в) молоток
	а) форсунка б) роликовый подшипник в) шпилька		а) вал заднего хода б) поршневые пальцы в) фреза
	а) болты маховика б) фрезы в) вал редуктора		а) корпус станка качалки б) зенкер в) болты
	а) вал коробки передач б) клапан ДВС в) пресс-форма для литья		а) впускной клапан б) бесшовная труба Ф 114х8 мм в) холодные штампы

Продолжение табл. 12.1

	а) поршневые пальцы б) рессорные листы в) детали подшипников		а) корпус РВС б) подрезной резец в) рессора
	а) плашки б) рессоры автомобиля в) резец токарный		а) толкатель б) металлический кузов в) шестерни
	а) поворотная цапфа б) полуось в) сверла		а) подшипник качения б) мост для автотранспорта в) опорные плиты
	а) рама автомобиля б) конические шестерни в) зенкеры		а) швеллер б) шестерня в) сверло 3 мм
	а) клапана б) клиновая задвижка в) метчики		а) резервуар для нефти б) коленчатый вал в) отрезной резец
	а) штангенциркуль б) пружины в) лопатка газовой турбины		а) шатуны б) ротор турбины в) трос подъемного крана

Пример выбора марки стали

Задача 1. Выбрать материал для изготовления шестерни автомобильного двигателя диаметром 40 мм с расчетным напряжением по поверхности 1300 МПа. Деталь предусмотрена для серийного производства.

Решение:

Шестерня работает в условиях динамических изгибающих нагрузок, при контактном воздействии и трении поверхностей при повороте. При анализе данных о работе подобных шестерен установлено, что шестерни разрушаются в результате усталости, деформируются при перегрузках, зубья шестерен под­вержены износу из-за трения при зацеплении.

Деформация зуба недопустима, поэтому в качестве оценочной характери­стики прочности материала примем предел текучести, т. е. способность сопро­тивляться пластической деформации ( > 580 МПа). Контактная выносливость зависит от твердости поверхности и имеет эмпирическую зависимость = 23 HRС. Зная уровень контактных напряжений (1300 МПа), находим необ­ходимую твердость поверхности зуба - > 57 HRС.

Шестерня испытывает также циклические и динамические нагрузки, по­этому материал должен обладать достаточным запасом вязкости. Из анализа работы подобных деталей следует, что ударная вязкость КСU должна быть не менее 0,5 МД/м².

Работа в условиях трения требует достаточной твердости поверхности (ка­чественно чем выше твердость, тем лучше износостойкость поверхности). Кроме того, вероятность усталостного разрушения требует от материала достаточно высокого предела выносливости Сталь должна обладать пла­стичностью > 10%, что обеспечивает надежность работы.

Для решения задачи обеспечения высокой твердости поверхности детали в сочетании с необходимой вязкостью и прочностью ее сердцевины существует несколько видов упрочняющей обработки, основными из них являются химико-термическая обработка и поверхностная закалка ТВЧ.

Анализируя конструктивные особенности шестерни (диаметр 40 мм, т. е. шестерня с малым модулем), приходим к выводу, что применение закалки ТВЧ вряд ли целесообразно. Зуб шестерни должен иметь равномерный упрочненный поверхностный слой в пределах 0,5 - 0,8 мм, т. к. толщина зуба подобной шестерни небольшая. Такое требование накладывают на точность изготовления ин­дуктора жесткие допуски, что практически невозможно осуществить. Различная величина зазора между зубом и индуктором по поверхности зуба приведет к неравномерности глубины слоя, что недопустимо.

Таким образом, целесообразно использовать в качестве упрочняющей хи­мико-термическую обработку. Наиболее дешевой и широко используемой об­работкой является цементация или нитроцементация. Нитроцементация пред­почтительнее, поскольку она проводится при более низких температурах (820-860 °С) по сравнению с цементацией (920-950 °С), что позволяет избежать деформации после ХТО и закалки. Кроме того, длительность процесса меньше, нитроцементация интенсивнее повышает твердость поверхности и предел вы­носливости. Для этого вида ХТО применяют цементацию. Анализируя рабочие свойства цементуемых ста­лей и используя справочные данные, видим, что почти каждая из них может быть рекомендована для изготовления этих деталей ( табл.12.2).

Сопоставляя данные, приведенные в таблице 12.2, определяем, что стали двух по­следних марок можно считать наиболее пригодными для изготовления нашей шестерни, т.к. они имеют достаточный запас прочности и вязкости по сравне­нию с другими маркам. Преимущество имеет сталь 18ХГТ, которая не содержит дефицитного никеля и других дефицитных элементов.

Оценка по обрабатываемости резанием является очень важным парамет­ром. Коэффициент обрабатываемости резанием K_v определяется по отношению к обрабатываемости эталонной стали (сталь 45), скорость резания которой принята за единицу. Согласно справочным данным K_v для стали 12ХН3А - 0,43, а для стали 18ХГТ - 1,0, т. е. такой же, как эталонной стали. Та­ким образом, оптимальной маркой стали для заданной шестерни и условий ее работы будет 18ХГ

Таблица 12.2

Марка стали	Термическая обработка	МПа	, МПа	,%	КСИ, МДж/м2	HRCповер
требуе­мые свойст­ва	ХТО, закал­ка, низкий отпуск	>580	>1300	>10	>0,5	57-60
20Х	ХТО, закал­ка, низкий отпуск				0,6	55-57
15ХФ	ХТО, закал­ка, низкий отпуск				0,8	56-82
20ХН	ХТО, закал­ка, низкий отпуск				0,8	61-63
12ХН3А	ХТО, закал­ка, низкий отпуск				1,2	61-63
18ХГТ	ХТО, закал­ка, низкий отпуск				0,8	61-63