Структура и свойства сердцевины детали

При выборе материала для деталей необходимо учитывать и экономическую сторону. Чем более легирована сталь, тем она дороже. Основные назначения легирующих элементов — увеличение прокаливаемости, т. е. получение высокого комплекса механических свойств в крупных сечениях. Поэтому легирование стали следует применять для деталей крупных сечений.

Наиболее дефицитными элементами, применяемыми для легирования конструкционных сталей, являются никель и молибден. Эти элементы увеличивают прокаливаемость, так же, как и другие менее дефицитные (хром, марганец). Никель понижает порог хладноломкости, вследствие чего сталь становится более надежной. Молибден устраняет охрупчивание стали при высокотемпературном отпуске.

При назначении марки стали для деталей следует также учитывать способ ее металлургического производства.

Поэтому при выборе марки стали необходимо решить, что в данном конкретном случае более целесообразно применить сталь более высокой чистоты и удовлетвориться свойствами металла, полученными в состоянии поставки или после простейшей термической обработки (нормализации), или ориентироваться на термическое улучшение (закалка плюс соответствующий отпуск). При назначении режима термической обработки необходимо выбирать наиболее производительные и экономические способы, но обеспечивающие получение оптимальных, наилучших свойств.

Пример решения типовой задачи.

Задача. Необходимо изготовить вал двигателя диаметром 75 мм, работающего с вибрациями; сталь в готовом изделии должна иметь предел прочности не ниже 800 МПа, ударную вязкость не ниже 60 Дж/см². Подобрать необходимую марку стали, рекомендовать режим термической обработки, привести механические свойства и микроструктуру стали в готовом изделии.

Решение. Для изготовления изделий подобного назначения можно использовать сталь углеродистую качественную конструкционную (ГОСТ 1050 — 84) или сталь легированную конструкционную (ГОСТ 4543 — 81) с содержанием углерода 0,4...0,45%.

Обратимся вначале к стали углеродистой качественной. Сталь 45 в состоянии поставки или после нормализации имеет предел прочности при растяжении 610 МПа, ударную вязкость 30 Дж/см², что не удовлетворяет требованиям прочности и вязкости для материала вала.

Для повышения прочности конструкционной стали 45 можно применить закалку и высокий отпуск. Для этой стали после закалки и отпуска с нагревом до 500° ударная вязкость повышается до 60 Дж/см2, а предел прочности до 750...850 МПа. После закалки (с охлаждением в воде) углеродистая сталь 45 получает структуру мартенсита. Однако вследствие небольшой прокаливаемости углеродистой стали эта структура в изделиях диаметром более 20...25 мм образуется только в сравнительно тонком поверхностном слое (толщиной до 2...4 мм).

В следующем слое аустенит в процессе охлаждения при закалке распадается от тростита или сорбита, а в середине изделия аустенит распадается с образованием структуры феррит плюс перлит. Чем больше сечение изделия, тем относительно больше масса металла, получающего структуру перлит и феррит и не воспринимающего, следовательно, закалку.

Последующий отпуск будет способствовать превращению мартенсита и тростита в сорбит в тонком поверхностном слое, но не воздействует на структуру и свойства перлита и феррита в основной массе изделия.

Таким образом, вал диаметром 75 мм, изготовленный из углеродистой стали, не будет иметь одинаковых свойств по сечению: они будут выше в тонком поверхностном слое и ниже в сердцевине. Хотя в работе основные нагрузки будут воспринимать поверхностные слои вала, надо учитывать и следующее:

1) чем больше сечение вала, тем тоньше (2...4 мм) поверхностный слой со структурой сорбита;

2) часть поверхностного слоя будет снята при окончательной чистовой обработке вала на станке, выполняемой после закалки и отпуска. Поэтому для изготовления вала сталь 45 не пригодна.

Рассмотрим сталь 45ХН. Сталь легирована никелем и хромом, т. е. элементами, повышающими прокаливаемость. Эта сталь получает после закалки достаточно однородную структуру и механические свойства и прокаливается в сечении диаметром до 80 мм. Следовательно, при изготовлении вала диаметром 75 мм из стали 45ХН может быть обеспечена сплошная прокаливаемость по сечению.

Режим термической обработки стали 45ХН таков:

1. Закалка — нагрев до 830...850° С и охлаждение в масле.

При закалке вала из стали 45ХН с охлаждением в масле (а не в воде, как это требуется для углеродистой стали) возникают меньшие остаточные напряжения, а следовательно, и меньшая деформация. Структура стали после закалки — мартенсит; твердость НКС не ниже 56.

2. Отпуск — с нагревом до 550...580" С. Для предупреждения отпускной хрупкости вал после отпуска следует охлаждать в масле или в воде. Структура стали после отпуска — сорбит.

Механические свойства стали 45ХН в изделии диаметром 75 мм после указанной термической обработки представлены в табл. 5.7.

Таблица 5.7