 |
Среднеуглеродистых сталей после закалки и высокого отпуска
|
|
|
|
Содержание
1. Общие сведения……..………..…………………………………………….4
2. Рекомендации по выбору марки среднеуглеродистой
улучшаемой стали, назначению режимов закалки и
высокого отпуска деталей машин….………………………………………...4
3. Рекомендации по выбору способа поверхностного
упрочнения деталей машин, марки стали
и режимов обработки………………………………………………………..10
Список рекомендуемой литературы………………………………………19
Общие сведения
Детали машин представляют собой отдельные составные части машин: валы, оси, зубчатые колеса, подшипники, муфты и др. В процессе работы в машине они испытывают различные механические нагрузки: растяжение, изгиб, кручение, сжатие, сочетание нескольких видов нагрузок и другие воздействия. Для обеспечения долговечности деталей машин, под которой понимается время сохранения их работоспособности, необходимо обоснованно выбрать марку материала и рациональную технологию упрочняющей термической обработки.
Работа выполняется в следующем порядке:
· выбор объемного или поверхностного упрочнения; конкретной термической обработки;
· выбор класса стали, разновидности по степени нагруженности детали, конкретной марки стали;
· назначение режимов операций термической обработки и выбор нагревательных устройств;
· составление маршрутной технологической карты.
Рекомендации по выбору марки среднеуглеродистой улучшаемой
Стали, назначению режимов закалки и высокого отпуска деталей машин
Выбор марки стали
Среднеуглеродистые стали с содержанием 0,3…0,5 % углерода выбирают в случае необходимости обеспечения объемного упрочнения детали по всему сечению или части сечения. Это достигается проведением полной закалки с последующим высокотемпературным отпуском (500…650 0С). Далее необходимо выбрать группу стали по степени нагруженности заданной детали машины (табл. 1).
|
|
|
Таблица 1
Группы улучшаемых конструкционных сталей по степени нагруженности
Деталей машин и механическим свойствам после закалки и высокого отпуска
| Улучшаемые стали (основные разновидности, примеры марок) | Механические свойства сердцевины | |
| Предел прочности sВ, МПа | Предел текучести s0,2, МПа | |
| 1. Малонагруженные детали машин (прокаливаемость при закалке в сечениях до 10-12 мм); s0,2<600 МПа | ||
| Углеродистые стали марок 35, 40, 45 | 600…700 | 400…600 |
| 2. Средненагруженные детали машин (прокаливаемость при закалке в сечениях до 20-50 мм); s0,2<850 МПа | ||
| Хромистые: 40Х, 45Х Марганцовистые: 45Г2 Хромомарганцовистые (дополнительно вводят титан или бор): 30ХГТ, 40ХГР | 900…1100 | 700…850 |
| 3. Высоконагруженные детали машин (прокаливаемость при закалке в сечениях до 75-100 мм); s0,2<1100 МПа | ||
| Хромоникелевые: 40ХН Хромоникельмолибденовые: 40ХН2М Хромоникельмолибденованадиевые: 38ХН3МФА | 1000…1200 | 800…1100 |
Далее 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, других показателей и размеров детали. Детальные сведения о механических свойствах конкретных марок сталей приведены в соответствующей справочной литературе или базах данных.
Затем по справочнику проверяют, обеспечивается ли заданный предел текучести, ударная вязкость (или относительное удлинение) и другие показатели выбранной марки стали в том сечении, которое имеет деталь после проведения закалки и высокого отпуска. При необходимости проводят повторный выбор другой марки стали и ее проверку.
Для типовых сталей марок 40, 40Х, 40ХН2М можно использовать графики, приведенные на рис. 1. Пример по выбору марки стали рассмотрен ниже.
|
|
|
Пример 1. На деталь машины с поперечным сечением размером 30 мм действуют равномерно распределенные по сечению напряжения растяжения. Предел текучести материала - не ниже 700 МПа и ударная вязкость - не менее 0,5 МДж/м2. Требуется выбрать марку стали для рассматриваемой детали.
Решение. Из технических условий задания следует, что необходимо объемное упрочнение по всему сечению детали. Используем группу улучшаемых конструкционных сталей, у которых прокаливаемость при закалке не менее 30 мм. Это разновидность улучшаемых сталей для средненагруженных деталей машин (прокаливаемость в сечениях 20…50 мм). Предварительно выбираем более дешевые хромистые стали. Далее назначаем конкретную марку улучшаемой хромистой стали. В качестве такой стали можно выбрать сталь 40Х (табл. 2). Эта сталь предназначена для деталей с поперечным размером 25…35 мм, имеет критический диаметр с охлаждением в минеральном масле до 35 мм. При этом в центре детали формируется микроструктура их: 90 % мартенсита и 10 % троостита.
Таблица 2
Механические свойства некоторых типовых конструкционных
среднеуглеродистых сталей после закалки и высокого отпуска
при температуре 540…600 0С
| Марка улучшаемой стали | Оптовая цена* | t зак, 0С | Среднее значение критического диаметра, мм** | Предназначены для деталей с поперечным сечением, мм | Механические свойства | ||
| s0,2, МПа | sВ, МПа | НВ | |||||
| 1,0 | 15…20 | 167…207 | |||||
| 1,0 | 15…20 | 205…210 | |||||
| 40Х | 1,2 | 25…35 | 163…168 | ||||
| 40ХН | 1,6 | 50…75 | 166…170 | ||||
| 30ХГС | 1,4 | 50…75 | 207…217 | ||||
| 40ХН2М | 2,1 | 75…100 | 280…310 | ||||
| 38ХН3МФА | 2,6 | 100…200 |
Примечание: *Относительные единицы: за 1,0 принята оптовая цена углеродистой качественной стали; **Диаметр образца, закаливающегося насквозь, с получением в центре микроструктуры из 90 % мартенсита и 10 % троостита.
Упрочнение детали обеспечивается проведением полной закалки и высокотемпературного отпуска. Это позволяет у стали 40Х получить предел текучести 800 МПа. Использование более дешевых углеродистых сталей недопустимо, так как они имеют недостаточную прокаливаемость по сечению при закалке и низкий предел текучести. Затем проверяем по справочным данным для стали 40Х обеспечение s0,2<700 МПа и КСU = 0,5 МДж/м2. Можно использовать данные рис. 1 методической разработки или одного из справочников по сталям. Из графика следует, что сталь 40Х удовлетворяет техническим требованиям задания.
|
|
|
 |
Рис. 1. Графики влияния температуры отпуска для образцов закаленной стали
(сквозная закалка) и диаметра заготовки (детали) после закалки и отпуска 580 0С, 1 час
на механические свойства сталей (по А.П. Гуляеву)
Выбор режимов термической обработки
После окончательного назначения марки стали и операций термической обработки переходят к назначению конкретных режимов термообработки. Температура нагрева подсчитывается по формуле:
t нагр = t Ас3 + (30…50)0.
Данные о температуре t Ас3 для некоторых сталей приведены ниже:
Марка стали…………40 45 40Х 30ХГСА 45Г2
t Ас3, 0С……………….788 770 782 830 765
Температура закалки может быть определена и непосредственно по одному из справочников по сталям или по справочнику термиста. Продолжительность нагрева и выдержки при термической обработке стали определяется по табл. 3 в зависимости от выбранного нагревательного устройства.
Таблица 3
Время нагрева и выдержки в электрических и газовых печах, соляных ваннах при закалке стали
| Сечение поперечное (диаметр детали), мм | Продолжительность, мин | ||||
| Печи электрические | Печи газовые | Соляные ванны (жидкая среда) | |||
| Нагрев и выдержка | Нагрев | Выдержка | Нагрев | Выдержка | |
| 1,0 на 1 мм сечения | |||||
Температура отпуска закаленных деталей определяется в зависимости от заданного в условиях задачи численного значения предела текучести и ударной вязкости (относительного удлинения) по приводимым в справочниках графическим или табличным данным (см. рис. 1). Время отпуска принимается 45…60 мин.
|
|
|
Выбор нагревательных устройств
Для нагрева деталей при термической обработке на машиностроительных заводах применяются печи и другие нагревательные устройства. Различают печи периодического и непрерывного действия. Некоторые данные о нагревательных устройствах, применяемых на машиностроительных заводах Нижнего Новгорода, приведены в табл. 4.
В индивидуальном и мелкосерийном производстве при выпуске деталей до нескольких сотен штук в год для закалки широко применяются камерные печи, а для отпуска закаленной стали - шахтные печи с вертикальным расположением камеры нагрева; печи-ванны. При использовании таких печей периодического действия различают периоды загрузки деталей в печь, выдержки в печи и разгрузки.
В массовом и крупносерийном производстве с объемом выпуска до сотен тысяч деталей в год для закалки и отпуска деталей широкое применение имеют печи непрерывного действия. В таких печах тепловой режим постоянен по зонам рабочего пространства (по длине печи), а детали перемещаются в рабочем пространстве печи с помощью конвейера из жароупорных деталей или толкательного устройства от загрузки в печь до выгрузки из печи.
Таблица 4
|
|
|
