О. М. Царенко. Матеріалознавство й технологія конструкційних матеріалів
3.6. Режими зміцнювальної термічної та хіміко-термічної обробки типових деталей машин із конструкційних сталей та чавунів
3.6.1. Загальні вимоги добору сталей для деталей машин.
Bибір конструкційного матеріалу для виготовлення деталей для механізмів, конструкцій тощо, в першу чергу залежить від умов роботи деталей, їх форми та розмірів, характеру навантажень, які виникають в ній в ході експлуатації. Загальні вимоги до добору сталей для виготовлення деталей зводяться до: Експлуатаційна вимога: сталь повинна забезпечувати задану конструкційну міцність. Для цього розраховуються механічні властивості, враховується прогартовуваність сталі, проводять випробування деталей на спеціальних стендах для дослідження опору зношування, виникнення та розповсюдження тріщин тощо. Технологічні вимоги: сталь повинна задовольняти умовам мінімальної трудоємкості виготовлення деталей. Для цього сталь повинна володіти доброю оброблюваністю різанням та тиском, а це значить, що слід відразу ж передбачати правильні режими попередньої термічної обробки заготовок. Економічні вимоги: найменш допустима дешевизна металу і водночас - експлуатаційна стійкість деталей в машинах чи механізмах. З цієї точки зору в першу чергу добираються дешеві сорти вуглецевих або низьколегованих сталей, а застосування легованих та високолегованих сталей повинно бути технічно й економічно виправданим. Зазначені вимоги нерідко суперечливі. Наприклад, сталі з високими міцностними характеристиками - менше технологічні, їх важче обробляти різанням та тиском; немає потреби обирати матеріал для деталей таким, який би забезпечив довговічність деталей більшу, ніж довговічність самої машини.
У з'вязку з цим при масовому виробництві йдуть шляхом:
oптимізації технологічних процесів, які направлені на спрощення технології виготовлення деталей, якщо ж вони ведуть до заниження певних механічних властивостей то ігнорується збільшенням маси деталей; встановлюється оптимальний вид зміцнювальної термічної чи хіміко-термічної обробки, який теж має бути найбільш економічним технологічним процесом. При виборі конструкційного матеріалу, як звичайно, розглядається можливість використання декількох марок сталей та способів їх зміцнення - це дозволяє обрати найбільш раціональний варіант, який забезпечить поряд з високими експлуатаційними властивостями деталей, їх високу технологічність як при механічному виготовленні, так в при виконанні термічної обробки.
Звісно, механічні властивості сталі у першу чергу визначаються вмістом в них Карбону, від якого залежить загартовуваність сталі. Прогартовуваність визначається наявністю легувальних елементів. Проте, не слід намагатись використовувати сталі з досить високою прогартовуваністю, оскільки це сталі, леговані Хромом, Марганцем, та Кремнієм, які спричинюють схильність до крихкого руйнування. Виключенням є сталі леговані Нікелем та Молібденом, у яких підвищений опір до вказаного негативного явища. При виборі сталі слід враховувати, що легувальні домішки підвищують стійкість аустеніту проти відпуску, тому такі сталі доводиться при відпуску нагрівати до значно вищих температур, що не завжди виправдано.
Існують проблеми й в експлуатації цементованих (нітроцементованих) деталей. Оскільки властивості поверхневого шару та серцевини в них різні, а саме: поверхневий шар володіє меншою пластичністю, то значні деформації згину та кручення приводять до пластичної деформації серцевини, і як наслідок, руйнування поверхневого шару. Отже, статисна міцність при згині та крученні залежить від межі текучості серцевини та запасу пластичності в цементованому шарі.
При підборі сталі з необхідними механічними властивостями враховуються режими їхньої експлуатації. Так,
якщо деталі масивні зі значною товщиною стінок чи великого діаметру та працюють за рівномірних навантажень, слід обирати леговані сталі, які добре прогартовуються; якщо деталі зазнають деформацій згину або кручення, то напруги в них виникають нерівномірно: на поверхні - найбільші, зі зменшенням до нуля в центрі. Суцільна прогартовуваність для таких деталей, а значить і сталей ? непотрібна. для деталей, які працюють на розтяг (стиснення) (шатуни, болти для відповідальних з'єднань, ресори, пружини тощо) слід обирати леговані сталі з покращеними властивостями, які високо прогартовуються. для виробів, які вимагають високої міцності та низької межі холодноламкості (які працюють при низьких температурах з високими швидкостями) слід застосовувати дрібнозернисті спокійні сталі , найкраще леговані Нікелем та Молібденом. концентрація легувальних елементів у сталях, деталі з яких піддають зміцнювальній обробці цементацією або нітроцементацією, не повинна бути досить високою, але повинно забезпечувати прогартовуваність поверхневого шару і серцевини та гальмувати ріст зерен аустеніту при нагріванні; 3.6.2. Зміцнювальна обробка валів. Залежно від призначення та умов експлуатації стійкість валів визначається міцністю в умовах кручення та згину, контактною міцністю та зносостійкістю.
Малонавантажені вали, які працюють при низьких швидкостях обертання, виготовляють із сталей Ст3...Ст5, або 35...45 без подальшої термічної обробки. У верстатобудуванні вали незначних розмірів, діаметром до 55 мм, які повинні володіти високою міцністю на згин та кручення виготовляють із сталей: діаметром до 25 мм - 40Х, діаметром до 40 мм - 50Х, діаметром до 55 мм - 40ХГР. Вали піддаються загартуванню та низькому відпуску (180-220 оС).
Високонавантажені вали значних діаметрів (понад 130 мм) виготовляють із сталей 50ХН, 40ХНМА, 34ХН3МА, загартовують та піддають високому відпуску. При цьому їх межа міцності перевищує 100 Н/мм2.
Швидкохідні вали верстатів діаметром до 100 мм виготовляють із сталей 20Х, 18ХГТ, 12ХН3А з подальшою цементацією.
Для виготовлення валів коробок передач вантажних автомобілів залежно від вантажопідйомності використовують сталі: автомобілі ГАЗ - 35Х та 40Х; ЗИЛ-130 - 25ХГМ, МАЗ - 15ХГНТА. Перші з них зміцнюються ціануванням, другі - нітроцементацією, треті - цементуванням. Вказані деталі після термо-хімічних обробок володіють високим опором зношуванню та значною міцністю на згин.
Для виготовлення цементованих валів значного діаметра (понад 100 мм) для яких потрібна висока міцність серцевини, використовують складнолеговані сталі з високою прогартовуваністю, напр., 35Х2ГНТА.
Для валів з особливо високим опором зношуванню використовують сталь 38Х2МЮА з подальшим азотуванням.
![]() |
![]() |
Рис. 3. 27. |
Рис. 3. 28. |
Колінчаті вали різного роду двигунів працюють в особливо складних умовах, зазнаючи значних сил інерції поступального та обертального руху шатунів, що кріпляться до них. Ці сили викликають тертя та зношування шийок вала, викликають ефект стомлювання-руйнування. Колінчаті вали виготовляють із сталей та інколи з чавунів.
Для колінчатих валів тихохідних суден та автотракторних двигунів використовують сталі 40, 40Х, 40Г, 45, а для швидкохідних двигунів - 40Х та 40ХН. Такі вали після кування та поверхневого загартування, нормалізують, або здійснюють глибокий відпуск. Шийки валів піддають загартуванню при індукційному нагріві з подальшим самовідпуском.
Колінчаті вали, котрі сприймають високі навантаження, виготовляють з легованих сталей 40ХНМА та 18Х2Н4ВА, а їхня довговічність забезпечується азотуванням.
Колінчаті вали автомобілів "Волга" М-24 виготовляють із високоміцного магнієвого чавуну ВЧ 60-2. Їх відливають в оболонкові форми, піддають термічній обробці за режимом: нагрів до 950 оС - 8 год; охолодження до 600 оС з витримкою 1 год.; нагрів до 725 оС з витримкою 8 год. Та охолодження на повітрі. Внаслідок такої обробки зерна перліту здрібнюються та набувають сферичної форми, що надає йому високих механічних влaстивостей: σрозтяг =50-70 Н/мм2; σзгин=100-110 Н/мм2; НВ 240.
Колінчаті вали автомобілів ВАЗ виготовляють з такого ж чавуну, який проходить нормалізацію, загартування шатунних та коренних шийок при індукційному нагріві з подальши відпуском при 180-200 оС.
Колінчаті вали автомобілів ЗАЗ відливають в оболонкові форми із високоміцного чавуну ВЧ 50-2, піддають низькотемпературному відпалу при 640-8660 оС протягом 3-4 год та охолодженням на повітрі. Для підвищення опору зношування вали азотують, після чого шийки валів шліфують, а галтелі - полірують.
Чавун марки ВЧ використовують і для виготовлення колінчатих валів тепловозів.
См. додаток 3.3. Типові режими термічної обробки валів
3.6.3. Зубчасті колеса.
Проблеми зношування зубчатих передач пов'язані з торцевим зношуванням, ламанням зубів внаслідок заїдання чи внаслідок короткочасних перевантажень.
![]() |
![]() |
Рис. 3. 29. |
Рис. 3. 30. |
Сталь та види її термічної обробки для зубчатих колес вибираються в залежності від технологічних умов їх експлуатації. Так, силові зубаті колеса повинні володіти високою зносостійкістю робочих поверхонь та достатньою статичною міцністю на кручення. Таким вимогам відповідають леговані цементовані (нітроцементовані) сталі, які після термічної обробки мають структуру поверхневого шару - мартенсит та структуру серцевини перлітно-цементитну суміш, або бейніт.
Для середньонавантажених колес крім хіміко-термічного зміцнення застосовують загартування. Для цього широко використовують сталі 45, 50, 40Х, 50Х, 50ХН.
Найчастішою причиною руйнування зубчатих передач в коробках передач автомобілів є контактна втомлюваність. У таких шестерень спостерігається торцеве зношування та руйнування зубів при перевантаженнях. Зубчаті колеса автомобілів для забезпечення необхідного прогартування серцевини зубів та мінімальної деформації при загартуванні, виготовляють із середньолегованих сталей. Так, ведучі та відомі шестерні редукторів та головних передач автомобілів ЗИЛ виготовляють із сталей 18ХГТ, 25ХГТ, 30ХГТ; автомобілів ГАЗ - із сталей 20ХГР та 20ХНМ; ВАЗ - 18ХГТ, 25ХГТ, 30ХГТ; "Таврії" - 25ХГМАЮ. Для зміцнення всі шестірні піддаються цементації або нітроцементації.
Середньонавантажені зубчаті колеса тракторної техніки за умови відсутності вимоги по зносостійкості виготовляють із сталей 40, 40Х, 40ХС при подальшому зміцненню загартуванням з високим відпуском та поверхневим загартуванням при індукційному нагріві на глибину 1,5-2,5 мм та НRC 54. В інших випадках, напр., для ведучих та відомих шестерень коробок передач тракторів ДТ-54, Т-74, МТЗ-80 та інш. Використовують сталі: 18ХГТ, 25ХГТ, 20ХГТР, 20ХНР із зміцненням цементацією на глибину до 2 мм, для досягнення НRC 65.
Решту важконавантажених шестерень тракторної та сільськогосподарської техніки виготовляють із малонікелевих цементованих сталей 20ХГНР, 20ХНР і хромонікелевої сталі 20ХН3А.
У верстатобудуванні для середньонавантажених зубчатих колес використовують сталь 20Х та 18ХГТ, які зміцнюють цементацією до НRC 48. Високонавантажені циліндричні зубчаті колеса виготовляють із легованих сталей 20Х, 18ХГТ, 20ХНМ, а для найвідповідальніших - 25ХГТ або 25Х2ГНТА. Після цементації, або нітроцементації на глибину 1-1,8 мм, твердість серцевини НRC 35-40, поверхні НRC 54-60.
См. додаток 3.2. Типові режими термічної обробки сталей для виготовлення зубчатих передач.
3.6.4. Трубчаті деталі та шпинделі.
Трубчаті деталі типу гільз, втулок, направляючих тощо повинні володіти високою зносостійкістю, стійкістю до деформацій внаслідок різних деформацій - стиснення, розтягу, згину, кручення. Вибір марки сталі залежить від товщини стінок деталей: при товщині до 18 мм використовують сталь 20Х, при 40?45 мм - 18ХГТ, при 70-80 мм - 12 ХН3А. Для забезпечення високої зносостійкості та стабільності конфігурації й розмірів деталі піддають азотуванню, загартовують в масло та проводять стабілізуючий низькотемпературний відпуск.
![]() |
![]() |
Рис. 3. 31. |
Рис. 3. 32. |
Для деталей кріплення (болти, гайки, шпильки тощо) застосовують покращені вуглецеві та леговані сталі. Так, деталі, які не зазнають в роботі високих напруг, виготовляють зі сталей 40, 40Х, 30ХГС та піддають нормалізації для забезпечення поверхневої твердості HRC 25-30. Деталі ж, що зазнають високих навантажень слід виготовляти із сталей 40Х, 40ХН, а найкраще 40ХНМА та піддавати нормалізації або покращенню для одержання твердості HRC 30-35.
Шпиндель - це вал машини, що обертається, напр., вал металорізального станка, який передає обертання деталі, або вал прокатного стану, який передає обертання від двигуна до валків.
Шпинделі для верстатів особливо високої точності виготовляють із сталей 20Х, 18ХГТ, 12ХН3А. Їх піддають цементації або азотуванню для досягнення твердості HRC 56. Для станків звичайної чи підвищеної точності використовують сталі 50 або У8 та здійснюють лише поверхневе загартування при нагріві струмами високої частоти.
до наступної глави...
[ початок сторінки ] [ перехід до змісту ]