Задачи По выбору сплавов и режимов

ТЕРМИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКИ В ЗАВИСИМОСТИ

ОТ УСЛОВИЙ РАБОТЫ ДЕТАЛЕЙ И КОНСТРУКЦИЙ

Решение приводимых задач ниже предусматривает обоснованный выбор сплава и его обработки, при использовании которых в наиболь­шей степени обеспечиваются надежность и стойкость деталей в усло­виях эксплуатации, указанных в каждой отдельной задаче. Как правило, в задачах приведены более типичные условия использова­ния изделий, имеющие место в разных отраслях промышленности. Кроме того, в задачах сформулированы характерные свойства, которые должен иметь сплав в соответствующем изделии.

Для решения задачи надо, прежде всего, определить группу спла­вов (например, конструкционных сталей общего назначения, чугунов, жаропрочных сталей и сплавов, инструментальных сталей, полимерных материалов и т.п.), обладающих свойствами, близкими к требуемым.

Затем для окончательного определения наиболее пригодного сплава из числа приведенных в выбранной группе и рекомендации режима его обработки необходимо в качестве общего правила рас­смотреть возможность использования более дешевого материала, например для деталей машин — углеродистой стали обыкновенного качества или серого чугуна. Свойства основных материалов приве­дены в учебниках и в указываемой ниже справочной литературе.

Если при рассмотрении свойств намечаемых сплавов окажется, что они не удовлетворяют требованиям задачи, например, по проч­ности или по вязкости, то следует рассмотреть возможность их улуч­шения выбором термической или химико-термической обработки. Дорогие легированные стали, содержащие никель, вольфрам, мо­либден или цветные сплавы, следует рекомендовать в тех случаях, когда выбор более дешевых материалов не может обеспечить требо­ваний, указанных в задаче. Сделанный выбор сплава надо обосно­вать.

Если для улучшения свойств выбранного материала нужны тер­мическая или химико-термическая обработки, то необходимо ука­зать их режимы, получаемую структуру и свойства. При рекоменда­ции режимов обработки необходимо также указывать наиболее экономичные и производительные способы, например для деталей, изго­товляемых в больших количествах, — обработку, с индукционным нагревом, газовую цементацию (при необходимости химико-терми­ческой обработки) и др. Для деталей, работающих в условиях пере­менных нагрузок, например для валов, зубчатых колес многих типов, необходимо рекомендовать обработку, повышающую предел выносливости (в зависимости от рекомендуемой стали к ним отно­сятся: цементация, цианирование, азотирование, закалка с индукци­онным нагревом, обработка дробью).

Для получения навыков в выборе материала и обосновании при­нимаемой рекомендации ниже приведены примерные решения трех типов задач по конструкционным сталям общего назначения (№1), инструментальным сталям (№6) и цветным сплавам (№ 10).

ЗАДАЧИ ПО КОНСТРУКЦИОННЫМ СТАЛЯМ

И ЧУГУНАМ

№ 1. Заводу нужно изготовить вал диаметром 70 мм для работы с большими нагрузками. Сталь должна иметь предел текучести не ниже 750 МПА, предел выносливости не ниже 400 МПа и ударную вязкость не ниже 900 кДж/м².

Завод имеет сталь трех марок: Ст 4, 45 и 20ХНЗА. Какую из этих сталей следует применить для изготовления вала? Нужна ли термическая обработка выбранной стали и если нужна, то какая? Дать характеристику микроструктуре и указать механи­ческие свойства после окончательной термической обработки.

 

Решение задачи № 1

Стали марок Ст 4, 45 и 20ХНЗА имеют химический состав, при­веденный в табл. 1.

Таблица 1

ХИМИЧЕСКИЙ СОСТАВ СТАЛЕЙ, %

Сталь	ГОСТ	С	Mn	Si
Ст4   Сталь45   20ХНЗА	380—71   1050—60   4543—71	0,18—0,27   0,42—0,50   0,17—0,23	0,40—0,70   0,50—0,80   0,30—0,60	0,12—0,30   0,17—0,37   0,17—0,37

 

Продолжение табл. 1

Сталь	ГОСТ	Cr	Ni	S	Р
Ст4 Сталь 45 20ХНЗА	380—71 1050—60 4543—71	≤0,3 ≤0,25 0,60-0,90	≤0,3 ≤0,25 2,75-3,15	≤0,050 ≤0,045 ≤0,025	≤0,040 ≤0,040 ≤0,025

 

Сталь марки Ст4, согласно ГОСТ, имеет следующие свойства в состоянии поставки (после прокатки или ковки): (σ_в == 420÷540 МПа, σ_т = 240÷260 МПа; δ = 21%.

Сталь 45, согласно ГОСТ, в состоянии поставки (после прокатки и отжига) имеет твердость не более НВ 207. При твердости НВ 190— 200 сталь имеет предел прочности не выше 600—620 МПа, а при твердости ниже НВ 180 предел прочности не превышает 550—600 МПа. Для отожженной углеродистой стали отношение σ_т/σ_в составляет примерно 0,5. Следовательно, предел текучести стали 45 в этом со­стоянии не превышает 270—320 МПа.

Сталь 20ХНЗА, согласно ГОСТ, в состоянии поставки (после про­катки и отжига) имеет твердость не более НВ 250. Следовательно, предел прочности при твердости НВ 230—250 не превышает 670— 750 МПа и может быть ниже 600 МПа для плавок с более низкой твердостью. Тогда предел текучести составляет 350—400 МПа, так как σ_т/σ_в для отожженной легированной стали 0,5—0,6.

Таким образом, для получения заданной величины предела те­кучести вал необходимо подвергнуть термической обработке.

Для низкоуглеродистой стали Ст4 улучшающее влияние терми­ческой обработки незначительно. Кроме того, Ст4 — как сталь обыкновенного качества имеет повышенное содержание серы и фосфора (см. табл. 1), которые понижают механические свойства и особенно сопротивление ударным нагрузкам.

Для такого ответственного изделия, как вал двигателя, поломка которого нарушает работу машины, применение более дешевой по составу стали обыкновенного качества нерационально.

Сталь 45 относится к классу качественной углеродистой, а сталь 20ХН3А — к классу высококачественной легированной стали. Они содержат соответственно 0,42—0,50 и 0,17—0,23%С и принимают закалку.

Для повышения прочности можно применять нормализацию или закалку с высоким отпуском.

Последний вариант обработки сложнее, но позволяет получить не только более высокие характеристики прочности, но и более высокую вязкость. В стали 45 минимальные значения ударной вязкости (a _н после нормализации составляют 200—300 кДж/м², а после закалки и отпуска с нагревом до 500° С достигают 600—700 кДж/м².

Так как вал двигателя воспринимает в работе динамические нагрузки, а также и вибрации, более целесообразно применить закалку и отпуск. После закалки 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.

Последующий отпуск вызывает превращение мартенсита и троостита в сорбит только в тонком поверхностном слое, но не влияет на структуру и свойства перлита и феррита в основной массе изделий.

Сорбит отпуска обладает более высокими механическими свойствами, чем феррит и перлит.

Наибольшие напряжения от изгиба, кручения и повторно пере­менных нагрузок воспринимают наружные слои, которые и должны обладать повышенными механическими свойствам. Однако в со­противлении динамическим нагрузкам, которые воспринимает вал, участвуют не только поверхностные, но и нижележащие слои ме­талла.

Таким образом, углеродистая сталь не будет иметь требуемых свойств по сечению вала диаметром 70 мм.

Сталь 20ХНЗА легирована никелем и хромом для повышения прокаливаемости и закаливаемости. Она получает после закалки до­статочно однородные структуру и механические свойства в сечении диаметром до 75 мм.

Для стали 20ХНЗА рекомендуется термическая обработка:

1. Закалка с 820—835° С в масле.

При закалке с охлаждением в масле (а не в воде, как это требуется для углеродистой стали) возникают меньшие напряжения, а, следо­вательно, и меньшая деформация. После закалки сталь имеет струк­туру мартенсита и твердость не ниже HRC 50.

2. Отпуск 520—530° С. Для предупреждения отпускной хруп­кости, к которой чувствительны стали с хромом (марганцем, вал после нагрева следует охлаждать в масле.

Механические свойства стали 20ХНЗА в изделии диаметром до 75 мм после термической обработки:

Предел прочности σ_в=900—1000 МПа, предел текучести σ_т = 750—800 МПа, относительное удлинение δ = 8—10 %, относительное сужение ψ = 45—50 %, ударная вязкость а_н = 900 кДж /м².

Таким образом, эти свойства обеспечивают требования, формулиро­ванные в задаче, для вала диаметром 70 мм.

№ 2. Зубчатые колеса в зависимости от условий работы и возни­кающих напряжений можно изготавливать из стали обыкновенного качества, качественной углеродистой и легированной с различным содержанием легирующих элементов.

Выбрать, руководствуясь техническими и экономическими сооб­ражениями, сталь для изготовления колес диаметром 50 мм и вы­сотой 30 мм с пределом прочности не ниже 360—380 МПа.

Указать термическую обработку колес, механические свойства и структуру выбранной стали в готовом изделии и для сравнения механические свойства и структуру сталей 45 и 40ХН после улуч­шающей термической обработки.

№ 3. Выбрать сталь для изготовления валов диаметром 50 мм для двух редукторов. По расчету сталь для одного из валов должна иметь предел текучести не ниже 350 МПа, а для другого — не ниже 500 МПа.

Указать: 1) состав и марку выбранных сталей; 2) рекомендуемый режим термической обработки; 3) структуру после каждой операции термической обработки; 4) механические свойства в готовом изделии.

Можно ли применять углеродистую сталь обыкновенного каче­ства для изготовления валов требуемого сечения и прочности?

№ 4. Коленчатые валы диаметром 80 мм, работающие при по­вышенных напряжениях, изготавливают на одном заводе из каче­ственной углеродистой стали, а на другом — из легированной стали.

Какую сталь следует применять для этой цели? Указать ее хими­ческий состав и марку.

Рекомендовать режим закалки и отпуска и сопоставить механи­ческие свойства, которые могут обеспечить углеродистая качествен­ная и легированная стали выбранных марок для вала указанного диаметра.

№ 5. Выбрать сталь для изготовления тяжело нагруженных коленчатых валов диаметром 60 мм: предел прочности должен быть не ниже 750 МПа.

Рекомендовать состав и марку стали, режим термической обработ­ки, структуру и механические свойства после закалки и после от­пуска.

 

 

ЗАДАЧИ ПО ИНСТРУМЕНТАЛЬНЫМ

СТАЛЯМ И СПЛАВАМ

 

№ 6. Стойкость сверл и фрез, изготовленных из быстрорежу­щей стали умеренной теплостойкости марки Р12 и обрабатывав­ших конструкционные стали твердостью НВ 180—200, была удов­летворительной.

Однако стойкость этих сверл резко снизилась при обработке жаропрочной аустенитной стали.

Рекомендовать быстрорежущую сталь повышенной теплостой­кости, пригодную для производительного резания жаропрочных сталей, указать ее марку и химический состав, термическую обра­ботку и микроструктуру в готовом инструменте.

Сопоставить теплостойкость стали Р12 и выбранной стали.

Решение задачи № 6

Режущие инструменты для производительного резания изготов­ляют из быстрорежущих сталей, так как эти стали обладают тепло­стойкостью. Они сохраняют мартенситную структуру и высокую твердость при повышенном нагреве (500—650° С), возникающем в режущей кромке.

Однако стойкость инструментов из быстрорежущих сталей, под­вергавшихся оптимальной термической обработке, определяется не только их химическим составом, структурой и режимом резания, но сильно зависит от свойств обрабатываемого материала.

При резании сталей и сплавов с аустенитной структурой (нержа­веющих, жаропрочных и др.), получающих все более широкое при­менение в промышленности, стойкость инструментов и предельная скорость резания могут сильно снижаться по сравнению с получае­мыми при резании обычных конструкционных сталей и чугунов с относительно невысокой твердостью (до НВ 220—250). Это связано главным образом с тем, что теплопроводность аустенитных сплавов пониженная. Вследствие этого тепло, выделяющееся при резании, лишь в небольшой степени поглощается сходящей стружкой и де­талью и в основном воспринимается режущей кромкой. Кроме того,

эти сплавы сильно упрочняются под режущей кромкой в процессе резания, из-за чего заметно возрастают усилия резания.

Для резания подобных материалов, называемых труднообраба­тываемыми, мало пригодны быстрорежущие стали умеренной теплостойкости, сохраняющие высокую твердость (HRC 60) и мартенситную структуру после нагрева не выше 615—620°С. Для обработки аустенитных сплавов необходимо выбирать быстрорежущие стали повышенной теплостойкости, а именно кобальтовые. Кобальт способствует выделению при отпуске наряду с карбидами также и частиц интерметаллидов, более стойких против коагуляции, и за­трудняет процессы диффузии при температурах нагрева режущей кромки. Кобальтовые стали сохраняют твердость HRC 60 после более высокого нагрева: до 640—645° С. Кроме того, кобальт за­метно (на 30—40%) повышает теплопроводность быстрорежущей стали, а следовательно, снижает температуры режущей кромки из-за лучшего отвода тепла в тело инструмента. Наконец, стали с кобальтом имеют более высокую твердость (до HRC 68 у стали Р8МЗК6С).

Для сверл и фрез, применяемых для резания аустенитных спла­вов, рекомендуются кобальтовые стали марок Р12Ф4К5 или Р8МЗК6С. Термическая обработка кобальтовых сталей принци­пиально не отличается от обработки других быстрорежущих сталей. Она следующая.

Инструменты закаливают с очень высоких температур (1240— 1250° С для стали Р12Ф4К5 и 1210—1220° С для стали Р8МЗК6С), что необходимо для растворения большего количества карбидов и насыщения аустенита (мартенсита) легирующими элементами: вольфрамом, молибденом, ванадием и хромом. Еще более высокий нагрев, дополнительно усиливающий перевод карбидов в раствор, недопустим: он вызывает рост зерна, что снижает прочность и вяз­кость. Структура стали после закалки: мартенсит, остаточный аустенит (15—30%) и избыточные карбиды, не растворяющиеся при на­греве и задерживавшие рост зерна. Твердость HRC 60— 62.

Затем инструменты отпускают при 550—560° С (3 раза по 60 мин). Отпуска вызывает: а) выделение дисперсных карбидов и интерме­таллидов из мартенсита (дисперсионное твердение), что повышает твердость до HRC 66—69; б) превращает мягкую составляющую — остаточный аустенит в мартенсит; в) снимает напряжения, вызы­ваемые мартенситным превращением.

После отпуска инструменты шлифуют, а затем подвергают цианированию, чаще всего жидкому в смеси NaCN (50%) и Na₂C0₃ (50%) с выдержкой 15—30 мин (в зависимости от сечения инструмента).

Твердость цианированного слоя на глубину 0,02—0,03 мм дости­гает HRC 69—70; немного (на 10° С) возрастает и теплостойкость. При нагреве для цианирования снимаются также напряжения, вызванные шлифованием. Цианирование повышает стойкость ин­струментов на 50—80%.

После цианирования целесообразен кратковременный нагрев при 450—500° С в атмосфере пара и с охлаждением в масле; поверх­ность инструмента приобретает тогда синий цвет и несколько луч­шую стойкость против воздушной коррозии.

№ 7. Выбрать сталь для червячных фрез, обрабатывающих конструкционные стали твердостью НВ 220—240.

Объяснить причины, по которым для этого назначения нецеле­сообразно использовать углеродистую инструментальную сталь У12 с высокой твердостью (HRC 63—64).

Рекомендовать режим термической обработки фрез из выбранной быстрорежущей стали, приняв, что фрезы изготовлены из проката диаметром 40 мм.

№ 8. Завод должен изготовить долбяки, обрабатывающие с динамическими нагрузками конструкционные стали с твердостью НВ 200—230.

Выбрать марку быстрорежущей стали, наиболее пригодной для этого назначения, рекомендовать режим термической обработки и указать структуру и свойства (для долбяков наружным диаме­тром 60 мм).

№ 9. Завод изготовлял протяжки из высоковольфрамовой стали Р18.

Указать, можно ли использовать для протяжек менее легиро­ванную, а следовательно, более экономичную быстрорежущую сталь.

Выбрать марку стали для протяжек, обрабатывающих конструк­ционные стали с твердостью до НВ 250, указать ее термическую обработку, структуру и свойства для случаев, когда протяжки изготовляют из проката диаметром 40 и 85 мм.