Стали и упрочняющей обработки

В данном разделе рассмотрены основные положения по назначению марки стали и вида термического упрочнения для обеспечения заданных технических требований при использовании традиционной методики

Объемное упрочнение деталей

При термической обработке деталей машин и соответствующем выборе марки стали можно обеспечить получение закаленной структуры по всему поперечному сечению детали, т.е. сквозную закалку или закалку только некоторой значительной части сечения, примыкающего к поверхности детали, при незакаленной сердцевине. Необходимость решения той или иной задачи решается характером напряженного состояния по сечению детали при ее работе в машине.

Могут иметь место следующие наиболее характерные случаи:

1. Деталь испытывает равномерно распределенные по сечению напряжения растяжения или сжатия. Химический состав стали (марка стали) должен обеспечить в этом случае сквозную закалку с получением в центре детали микроструктуры из 90 % мартенсита и 10% троостита (по площади шлифа). Некоторые ориентировочные данные о критическом диаметре (прокаливаемости) ряда марок стали приведены в табл. 15.

                                                                                                                            Таблица 15                                                                                            Прокаливаемость некоторых сталей

 

Марка стали	45	45Х	40ХН	40ХН2МА
D кр, мм (90% М +10% Т) при закалке	10…15 (в воде)	6…35 (в масле)	18…56 (в масле)	100…114 (в масле)
s0,2, МПа (закалка и высокий  отпуск)	450…480	780…830	790…1250	710…1070

2. На деталь действуют крутящие или изгибающие нагрузки (валы, оси и др.). В этом случае сердцевина детали не испытывает воздействия больших напряжений и нет необходимости осуществлять ее упрочнение до значительных величин.

Для таких условий работы деталей по опыту автомобилестроения следует обеспечить закалку до слоя, располагающегося на расстоянии 0,5 радиуса цилиндрической детали от поверхности (несквозная закалка). В этом случае должна быть структура из 90% мартенсита и 10% троостита. В более глубоких слоях структура имеет повышенное количество троостита (или сорбита и перлита), например полуоси автомобиля. Оптимальная твердость в слое 0,5 радиуса составляет после закалки (без отпуска) HRC 45 (твердость по Роквеллу, шкала «С»).

3. Деталь испытывает сложнонапряженное состояние (например, растяжение с кручением или изгибом). Так как сердцевина испытывает значительные напряжения, следует обеспечить сквозную закалку, как в случае 1.

Рекомендации по выбору марки среднеуглеродистой улучшаемой стали, назначению закалки и высокого отпуска деталей машин

Среднеуглеродистые улучшаемые стали с содержанием 0,3…0,5 % углерода выбираются в случае необходимости обеспечения объемного упрочнения детали по всему сечению или части сечения. Это достигается проведением полной закалки с нагревом выше А_{С 3}, и последующим высокотемпературным отпуском (500…650 °С). Далее необходимо выбрать группу стали по степени  нагруженности  (табл. 16), а из этой группы выбрать разновидность стали по наличию легирующих элементов и конкретную марку стали в зависимости от заданного в условиях задачи численного значения предела текучести, ударной вязкости и других показателей с учетом поперечных размеров детали. Подробные сведения о механических свойствах сталей приведены в соответствующей справочной литературе и компьютерной базе данных СТАЛЬ (содержит сведения о 600 марках сталей).

Затем по справочнику проверяется, обеспечивается ли заданный предел текучести, ударная вязкость и другие показатели для выбранной марки стали в том сечении, которое имеет деталь, после проведения закалки и высокого отпуска. При необходимости проводят повторный выбор марки стали с более высоким уровнем свойств и ее проверку.

Пример 1. Задание. На деталь машины (шатун ДВС) с поперечным сечением 30 мм действуют равномерно распределенные по сечению напряжения растяжения. Предел текучести материала не ниже 700 МПа. Требуется выбирать марку стали для рассматриваемой детали.

Решение. Из технических условий задания следует, что необходимо объемное упрочнение по всему поперечному сечению детали. Используем группу улучшаемых конструкционных сталей, у которых прокаливаемость при закалке не менее 30 мм. По табл. 16 это разновидность улучшаемых сталей для средненагруженных деталей машин (прокаливаемость в сечениях до 20...50мм). Предварительно выбираем более дешевую группу хромистых сталей.

Далее назначаем конкретную марку улучшаемой хромистой стали. Из табл. 17 видно, что в качестве такой стали можно выбрать сталь 40Х. Эта сталь предназначена для деталей с поперечным размером 25...35 мм.

Упрочнение детали обеспечивается проведением полной закалки и высокотемпературного отпуска. Это позволяет у стали 40Х получить предел текучести 800 МПа. Применение стали 40Х обеспечивает в соответствии с техническими требованиями задания сквозное упрочнение по сечению детали 30 мм с достижением предела текучести в сердцевине не ниже 700 МПа.

 

                                                                                                                                        Таблица 16