3.Выбор материала, технологические процессы обработки, контроль качества и сертификация продукции

3.1 Выбор материала

При выборе материала необходимо учесть ряд явлений, наблюдаемых при работе зубчатых колес (шестерен), такие как износ, знакопеременные и ударные нагрузки, изгиб, температурный эффект и др. Детали должны сочетать высокую поверхностную прочность, твердость и достаточную вязкость сердцевины. При выборе стали также необходимо обращать внимание на прокаливаемость, обрабатываемость на металлорежущих станках, склонность к деформации.

Для изготовления деталей, работающих на износ и подвергающихся действию переменных и ударных нагрузок, применяют цементуемые конструкционные углеродистые и легированные стали, целесообразность использования которых объясняется либо технологическими, либо эксплутационными условиями.

Углеродистые стали имеют два основных недостатка – малую прокаливаемость и недостаточную прочность цементованного слоя.

Легированные стали имеют высокую прочность сердцевины и поверхностного слоя, что обеспечивает соответственно высокую износостойкость и усталостную прочность.

Для шестерен, подвергаемых цементации, обычно применяют стали с содержание углерода до 0,25%, что позволяет получить вязкую сердцевину. С повышением содержания углерода прочность сердцевины увеличивается, а вязкость снижается.

Влияние легирующих элементов в цементуемых сталях сводится к следующему.

Никель увеличивает глубину цементованного слоя, препятствует росту зерна и образованию грубой цементитной сетки, оказывает положительное влияние на свойства сердцевины и снижает порог хладноломкости, сообщает стали коррозионную стойкость, повышает прочность и пластичность.

Карбидо- и нитридообразующие элементы (такие, как Cr, Mn, Mo) способствуют повышению прокаливаемости, поверхностной твердости, износостойкости и контактной выносливости.

Дополнительное легирование малыми добавками ванадия позволяет получить более мелкое зерно, что улучшает пластичность и вязкость стали.

Ниобий улучшает кислотостойкость.

Учитывая технические требования данных деталей возможно использование следующих марок сталей. Характеристики сталей, применяемых для изготовления зубчатых колес, приведены в таблицах 3.1, 3.2

Таблица 3.1

Механические свойства

Марка стали	Механические свойства
	σВ, МПа	σТ, МПа	δ, %	ψ, %	KCU Дж/cм2
20ХГНМТА	1200	1050	10,0	45	50
20Х2Н4А	1225	980	11	57	98
18Х2Н4ВА	1176	980	10	45	107

Таблица 3.2

Химический состав стали 20хгнмта (ту 14-1-3324-82)

Содержание элементов, %
С	S	Mo	Mn	Cr	Ti	Si	Ni
0,18-0,23	≤0,025	0,20-0,30	0,80-1,10	0,80-1,10	0,03-0,09	0,17-0,37	0,80-1,10

Ресурс работы многих узлов современных машин в значительной степени определяется контактной усталостью, являющейся основным видом износа подшипников качения, зубчатых колес и др. узлов, работающих при больших контактных нагрузках. Критерием работоспособности высоконагруженных деталей машин является контактная выносливость, которая определяет долговечность и надежность их работы. Согласно ГОСТ 21354 контактная выносливость тем выше, чем выше твердость материала. В связи с этим высоконагруженные шестерни в настоящее время изготавливают из легированных цементуемых сталей с твердостью упрочненного поверхностного слоя 57…63НRC.

При выборе марки стали для цементуемых деталей следует учитывать, что поверхностную твердость и глубину цементованного слоя в весьма близких пределах можно получить на стали с различной степенью легированности и с различным содержанием углерода. Цементуемые стали отличаются между собой главным образом в отношении обеспечения механических свойств сердцевины в зависимости от размеров поперечного сечения заготовок.

Высокопрочная теплостойкая с высокой прокаливаемостью сталь 20ХГНМТА предназначена для изготовления многоцелевого назначения высоконагруженных деталей машин.

Установлено следующее:

• исследования распада переохлажденного аустенита при непрерывном охлаждении и в изотермических условиях стали 20ХГНМТА с содержанием легирующих элементов по верхнему и нижнему пределам по техническим условиям на сталь свидетельствуют о высокой устойчивости его в перлитной и бейнитной областях;

• критическая скорость закалки составляет 160 град/мин;

• промежуточное превращение стали протекает с образованием нижнего бейнита при скоростях охлаждения, больших или равных 10град/мин.;

• значения критических точек стали, определенные термическим методом и дилатометрией, приведены в таблице 3.4

Таблица 3.3

АС1, °С	АС3, °С	МН,°С	МК,°С
730-750	780-800	360-370	250-270

• сталь 20ХГНМТА отличается стабильностью прочностных и пластических характеристик при закалке от температур 820 − 980°С;

• сталь сохраняет теплостойкость до 550°;

• прокаливаемость стали составляет не менее 100мм как при закалке в масло, так и на воздухе;

• температурный интервал горячей обработки давлением − 1180°С-850°С;

• сталь флокеночувствительна, после ковки требуется проведение противофлокенного отжига;

• штампуемость аналогична штампуемости сталей 20ХГНМ

Внедрены в производство технологии:

• выплавки и разливки стали с использованием экранируемых прибыльных надставок, позволивших повысить качество кузнечных слитков;

• объемной горячей пластической деформации (ковка, штамповка) стали;

• термической, в том числе предварительной термической обработки стали, обеспечивающей получение в кованных заготовках сложной формы однородного по размеру мелкого зерна аустенита номером 11…9 ГОСТ 5639 – 82 и высокий уровень механических свойств после отпуска

• газовой цементации обеспечивающего максимальную работоспособность деталей в парах трения и в условиях контактной усталости