Лахтин_Матеориаловедение

ванных и нитроцементованных деталей разрушению зависит от прочности сердцевины. Повышение прочности сердцевины способствует увеличению и контактной прочности. Например, при твердости выше 35 HRC допустимые контактные напряжения при базе 107 циклов составляют 1900 МПа, а при твердости 25—35 HRC не превышают 1750 МПа, поэтому прокаливаемость приобретает одно из важнейших значений при выборе стали. Однако сближение прочностных свойств елоя и сердцевины снижает уровень остаточных сжимающих напряжений на поверхности, а увеличение объема, претерпевающего фазовые и структурные превращения при термической обработке, повышает деформацию и коробление деталей после закалки. Оба фактора приводят к снижению предела выносливости деталей, особенно при ухудшении точности зацепления зубчатых колес, деформации сложных зубчатых зацеплений, шлицевых соединений и пр.

В табл. 23 и 24 приведены типичные детали автомобиля и металлорежущих станков, подвергаемые цементации и нитроцемента-ции.

Наиболее часто цементации и нитроцементации подвергают зубчатые колеса, которые должны обладать высокой износостойкостью рабочих поверхностей и достаточной статической прочностью, сопротивлением усталости при изгибе и при контактном нагружении.

Твердость на поверхности зуба во избежание его хрупкого разрушения не должна превышать 63 HRC, а в сердцевине 30— 45 HRC. С повышением твердости сердцевины, например при увеличении содержания углерода в стали, возрастает предел контактной выносливости зубчатых колес, но снижается σ-1 и увеличивается опасность хрупких разрушений.

Стали и методы упрочнения зубчатых колес, применяемые в тракторном и сельскохозяйственном машиностроении, можно классифицировать по степени нагруженности этих деталей.

1.Мало- и средненагруженные зубчатые колеса (шестерни ведущие и ведомые коробки передач, шестерни главной передачи ведомые и др.) изготовляют из безникелевых (18ХГТ, 25ХГТ) и малоникелевых (20ХГНР, 20ХНР) сталей с упрочнением цементацией на толщину 1,2—1,8 мм или нитроцементацией на толщину 0,8—1,2 мм. Твердость на поверхности 56—65 HRC. Твердость сердцевины зубьев 25—40 HRC.

2.Тяжелонагруженные зубчатые колеса изготовляют из малоникелевых цементуемых (нитроцементуемых) сталей 20ХГНР, 20ХНР и хромоникелевой 20ХНЗА. При этом толщина упрочненного слоя и нормы его твердости остаются такими же, как и для малонагруженных зубчатых колес. Однако твердость сердцевины несколько выше — 30—45 HRC.

Цементацию применяют для подшипников массовых типов

снаружным диаметром 40—150 мм и крупногабаритных подшипников диаметром до 2 м, испытывающих в процессе эксплуатации

341

значительные ударные и контактные нагрузки. Наружные кольца с диаметром менее 60 мм из стали 18ХГТ после холодной штамповки подвергают цементации при 960 °С на толщину слоя 1,1— 1,7 мм, а диаметром более 60 мм на толщину 1,4—2 мм. После цементации следует закалка от 820 °С1 в масле температурой 30—60 °С и отпуск при 150—110 °С 4—5 ч. Твердость цементованного слоя 60HRC. Крупногабаритные подшипники изготовляют из стали 20Х2Н4А и цементируют при 930 °С в течение 50— 200 ч в зависимости от размера колец и ролика и требуемой толщины слоя. После цементации детали подшипников закаливаются от температуры цементации в масле, проходят высокий отпуск при 580—600 °С, нагреваются до 790— 800 °С с последующим охлаждением в масле и отпускаются при 160°С7—12ч. Толщина слоя до 10 мм и твердость 58—60 HRC.

1 Кольца диаметром больше 60 мм нагреваются ТВЧ.

342

Для деталей, склонных к короблению (деформациям), работающих на износ и испытывающих небольшие контактные нагрузки, рекомендуется азотирование. Азотированию могут подвергаться практически все легированные стали.

Азотирование повышает износостойкость деталей машин в 5—10 раз, предел выносливости при изгибе на 30—60 % и сопротивление коррозии. Твердость колеблется в широких пределах 650— 1200 HV в зависимости от состава стали и режима обработки.

В станкостроении для повышения предела выносливости и износостойкости, а также сопротивления схватыванию наиболее нагруженные детали станков (например, шпиндели обрабатывающих центров) после улучшения подвергают азотированию. Азотирование используют для поверхностного упрочнения гильз (ЗОХЗМФ и 38Х2МЮА), массивных накладных направляющих (ЗОХЗМФ) валов, планок, ходовых винтов (16ХЗНВФМВ, 40ХН2МА), шпинделей для опор скольжения (38Х2МЮА) и др.

Азотирование применяют и для мало- и средненагруженных колес сложной конфигурации, например, с внутренними зубьями, шлифование которых трудно осуществить. В этом случае зубчатые колеса изготовляют из стали 40Х (конические) или 40ХФА (цилиндрические). После азотирования на глубину 0,1— 0,13т (но не более 0,6 мм), в результате которого обеспечивается минимальная деформация, проводится только притирка или хонинго-вание зубьев. Азотированные колеса при большем числе циклов нагружений не уступают по контактной прочности (сопротивлению выкрашиванию) цементованному (нитроцементованному), но вследствие малой толщины слоя для них должна быть меньше контактная нагрузка.

Широко применяется азотирование деталей топливной аппаратуры и клапанов дизельных двигателей, деталей турбин из высокохромистых сталей (20X13, 30X13, 40X13), а также штоков клапанов паровых турбин, гильз цилиндров, игл форсунок, тарелок букс, распылителей, пальцев, плунжеров, шестерен из стали 38Х2МЮА.

Азотирование используют для упрочнения как крупных высоконагруженных коленчатых валов, например тепловозных двигателей (диаметром шейки 150—300 мм) из стали 18Х2Н4МА, 38ХНЗВА и 38ХНЗМА и других, так и небольших коленчатых валов из стали 45ХФ. После азотирования коленчатые валы обладают высокой износостойкостью и сопротивлением усталости при их незначительной деформации. Крупные коленчатые валы перед азотированием проходят сложную термическую обработку (предварительную нормализацию поковок с последующим высоким отпуском после механической обработки, улучшение и термическую стабилизацию). Крупные валы азотируют на толщину слоя 0,7—0,8 мм, валы меньшего размера азотируют после улучшения на толщину 0,35—0,4 мм. Твердость после азотирования 700—750 HV.

344

Азотированию на толщину елоя 0,7 мм подвергают и коленчатые валы тепловозов, отлитые из высокопрочного магниевого чугуна, для повышения сопротивления износу и предела выносливости. Твердость на поверхности 40 HRC. После азотирования шейки валов шлифуют, а галтели полируют.

3. УПРОЧНЕНИЕ ПОВЕРХНОСТНЫМ ПЛАСТИЧЕСКИМ ДЕФОРМИРОВАНИЕМ

Многие детали машин, прошедшие упрочнение терми ческой или химико-термической обработкой, от работоспособности которых зависит долговечность машины в целом, добавочно упрочняются поверхностным пластическим деформированием (ППД).

Чаще ППД применяют1 для деталей машин, работающих в условиях знакопеременных нагрузок (торсионы, коленчатые валы, шатуны, шестерни и др.), высоких скоростей и давлений (распределители, поршни, поршневые кольца, золотники, плунжеры и др.), окислительного изнашивания, контактноусталостных напряжений (цапфы шестерен, опорные шейки, поворотные кулачки и др.). В зависимости от формы, размеров, характера производства выбирают наиболее оптимальный метод поверхностного пластического деформирования. Для деталей сложной формы (пружины, рессоры, лопатки, шатуны и др.) применяется дробеструйная обработка.

Для упрочнения наружных и внутренних поверхностей цилиндрических изделий, сферических и профильных поверхностей, галтелей применяют накатывание роликовым (шариковым) инструментом.

В табл. 25 приведены примеры упрочнения деталей машин методом ППД на Уралмашзаводе.

Наклеп поверхности ППД (толщина упрочненного слоя 0,1— 0,25 мм) повышает предел выносливости на 30—50 % (см. табл. 25), долговечность в 3—10 раз, сопротивление фреттинг-коррозии

в1,5—2 раза.

4.ИЗНОСОСТОЙКИЕ И КОРРОЗИОННО-СТОЙКИЕ ПОКРЫТИЯ

Для повышения работоспособности деталей машин и инструмента широко применяют разнообразные защитные покрытия, которые обеспечивают надежность и долговечность изделия, повышая твердость, износостойкость, предел контактной выносливости, коррозионную и эрозионную стойкость и другие служебные свойства, но чаще снижают предел выносливости σ-1 при изгибе.

1 См. Одинцов Л. Г. Упрочнение и отделка деталей поверхностным пластическим деформированием: Справочник. М.: Машиностроение, 1987. 327 с.

345

Для повышения твердости и износостойкости, а также для восстановления деталей машин широко применяют электролитическое хромирование и осталивание (железнение), а также всевозможные износостойкие композиционные покрытия. Композиционные покрытия, включающие частицы оксидов и карбидов, обладают повышенной твердостью и износостойкостью по сравнению с покрытиями чистыми металлами. Твердость и износостойкость композиционных электрохимических покрытий на основе никеля с включениями корунда в 1,5—2,5 раза выше твердости и износостойкости никелевых покрытий. Композиционные железокорун-довые покрытия (6—11 % корунда) обладают износостойкостью, в 4—5 раза большей, чем покрытия железом, и имеют высокую твердость. Коэффициент трения композиционных покрытий, содержащих корунд, высок — 0,2—0,4. Широкое применение получили и антифрикционные металлические (на основе Pb, бронзы — Сu—Sn, никеля и др.) покрытия, полученные электроосаждением. Эти покрытия имеют низкий коэффициент трения 0,05—0,15 и обладают хорошей прирабатываемостью и антикоррозионной стойкостью.

Неметаллические антифрикционные покрытия (дисульфид молибдена, нитрид бора, графит и др.) наносят виброметодом или методом галтовки.

Для повышения прочности сцепления антифрикционных и износостойких покрытий с основным металлом их нагревают до 130—200 °С. При нагреве протекает взаимная диффузия металла покрытия и основы и обезводороживание металла.

В настоящее время для повышения износостойкости и коррозионной стойкости получили применение пленочные покрытия (толщиной 2—10 мкм) из нитридов (TiN, Ti (NC), ZrN), карбидов (TiC), оксидов (А12О3 и др.), обладающих высокой твердостью1. Существует много методов создания адгезионных пленочных покрытий. Нанесение покрытий осуществляется осаждением продуктов химических реакций между компонентами газовой среды (например, хлорида титана и метана) на поверхности детали (инструмента) при 1000—1200 °С (метод CVD). Другие методы предполагают реактивное или конденсационное осаждение в вакууме при более низкой температуре 450—500 °С. Формирование покрытия в вакууме осуществляется в три стадии: 1) получение материала покрытия в парообразном состоянии; 2) перенос материала покрытия от испарителя к детали; 3) осаждение (конденсация) молекул (ионов) материала покрытия на поверхности детали. Чаще применяют следующие методы нанесения покрытия: конденсацию из плазменной фазы в условиях ионной бомбардировки (КИБ); реактивное электронно-лучевое плазменное осаждение (РЭП); активированное реактивное напыление (ARE). He-

1 Наиболее часто применяют покрытие нитридом титана TiN, имеющее золотистый цвет. Поэтому покрытия используют и как декоративные.

347

которое применение нашел метод детонационного покрытия. В этом случае покрытие формируется ударной волной, периодически инициируемой микровзрывами смеси ацетилена и кислорода. Пленочные покрытия способны воспринимать значительные нагрузки без продавливания и растрескивания только при наличии высокопрочной подложки и хорошей адгезионной связи покрытия с основой. Все методы упрочнения предполагают их использование на заключительных стадиях изготовления детали или инструмента.

Вопросы для самопроверки

1.Укажите детали машин, отказ которых связан с деформацией (искажением формы). Укажите причины и пути предупреждения разрушения.

2.Каковы причины отказа деталей вследствие хрупкого разрушения? Укажите причины разрушения и пути предупреждения.

3.Укажите причины усталостного разрушения деталей и пути предупреждения.

4.Можно ли повысить конструктивную прочность низколегированных строительных сталей?

5.Какие факторы влияют на предел выносливости детали и каким коэффициентом они учитываются?

6.Выберите строительную низколегированную сталь с σ0,2 = 500 Мпа и порогом хладноломкости t50 = 70 °С (см. рис. 167).

7.Легированная сталь имеет после закалки и отпуска σΒ = 1000 МПа.

Вкаком случае она будет иметь более низкий порог хладноломкости после низкого или высокого отпуска?

8.Как можно повысить конструктивную прочность машиностроительных сталей (К1c, КСТ, t50 и др.)?

9.Какие Вы знаете методы, повышающие устойчивость против износа при схватывании I рода, окислительном изнашивании и фреттинг-коррозии?

10.Сварная конструкция, изготовленная из горячекатаной стали ВСтЗ, с пределом текучести σ0,2 = 280 МПа при эксплуатации в условиях Севера (при температурах от —40 до —50 °С), разрушилась хрупко. Объясните причину брака

ипорекомендуйте сталь и метод ее упрочнения, обеспечивающие высокую устойчивость к хрупкому разрушению в условиях Севера и снижение массы конструкции (σ0,2 = 350÷400 МПа).

11.Выбрать материал, режим термической обработки, структуру и механические свойства для тяжелонагруженного коленчатого вала сложной формы диаметром 40 мм. Предел текучести должен быть 600 МПа и твердость 50 HRC.

12.Ходовой винт (диаметр 40 мм) станка работает в условиях износа, высоких контактных нагрузок и требует стабильности размеров и формы в процессе эксплуатации. Требуется твердость 60 HRC. Выбрать сталь, режим термической обработки, структуру.

13.Подберите сталь, упрочняющую обработку и структуру для рессор автомобиля (толщина листа 12 мм), требуемая твердость HRC 38.

14.Подберите сталь и режим термической обработки для ведущей шестерни редуктора (т = 4,5) заднего моста грузового автомобиля. Сталь и упрочняющая обработка должны обеспечить высокие значения σизг, σ-1, предела контактной выносливости при достаточной вязкости.

15.Подберите сталь и упрочняющую термическую обработку для вала диаметром 50 мм, испытывающего циклические нагрузки при изгибе, кручении и контактные нагрузки. Твердость 58 HRC.

16.Подберите сталь и упрочняющую обработку для мало- и средненагруженных колес сложной конфигурации, работающих в условиях износа, но не испытывающих высоких контактных нагрузок. Требуемая твердость

750—800 HV.

348

Г Л А В А XVI. ИНСТРУМЕНТАЛЬНЫЕ СТАЛИ И ТВЕРДЫЕ СПЛАВЫ

Инструментальными называют углеродистые и легированные стали, обладающие высокой твердостью (60—65 HRC), прочностью и износостойкостью и применяемые для изготовления различного инструмента. Обычно это заэвтектоидные или ледебу-ритные стали, структура которых после закалки и низкого отпуска мартенсит и избыточные карбиды.

Для инструмента, требующего повышенной вязкости, например для штампов горячего деформирования, применяют доэвтекто-идные стали, которые после закалки на мартенсит подвергают отпуску при более высокой температуре для получения структуры троостита и даже сорбита. Износостойкость и твердость этих сталей ниже, чем заэвтектоидных. Одной из главных характеристик инструментальных сталей является теплостойкость (или красностойкость), т. е. способность сохранять высокую твердость при нагреве (устойчивость против отпуска при нагреве инструмента в процессе работы).

Все инструментальные стали подразделяют на три группы: не обладающие теплостойкостью (углеродистые и легированные стали, содержащие до 3—4 % легирующих элементов), полутеплостойкие до 400—500 °С (содержащие свыше 0,6—0,7 % С и 4— 18 % Сr) и теплостойкие до 550—650 °С (высоколегированные стали, содержащие Cr, W, V, Мо, Со, ледебуритного класса), получившие название быстрорежущих.

Другой важной характеристикой инструментальных сталей является прокаливаемость. Высоколегированные теплостойкие и полутеплостойкие стали обладают высокой прокаливаемостью. Инструментальные стали, не обладающие теплостойкостью, делят на стали небольшой прокаливаемости (углеродистые) и

повышенной прокаливаемости (легированные).

Маркировка инструментальных сталей. Углеродистые инструментальные стали маркируют буквой «У» (углеродистая); следующая за ней цифра (У7, У8, У10 и т. д.) показывает среднее содержание углерода в десятых долях процента. Буква «А» в конце (У10А) указывает, что сталь высококачественная. Легированные инструментальные стали X, 9Х, 9ХС, 6ХВГ и т. д. маркируют цифрой, показывающей среднее содержание углерода в десятых долях процента, если его содержание <1 %. Если содержание углерода ~1 %, то цифра чаще отсутствует. Буквы означают легирующие элементы, а следующие за ними цифры — содержание (в целых процентах) соответствующего легирующего элемента.

Быстрорежущие стали маркируют буквой «Р». Следующая за ней цифра указывает среднее содержание главного легирующего элемента быстрорежущей стали — вольфрама (в процентах). Среднее содержание молибдена (в процентах) в стали обозначают цифрой, проставленной за буквой «М», кобальта — цифрой за бук-

349

вой «К», ванадия — цифрой после буквы «Ф» и т. д. Среднее содержание хрома в большинстве быстрорежущих сталей составляет 4 % и поэтому в обозначении марки стали не указывается.

1. СТАЛИ ДЛЯ РЕЖУЩЕГО ИНСТРУМЕНТА

Стали для режущего инструмента после закалки и низкого отпуска должны иметь высокую твердость в режущей кромке (HRC 62—68), значительно превышающую твердость обрабатываемого материала; высокую износостойкость, необходимую для сохранения размеров и формы режущей кромки при резании; достаточную прочность при некоторой вязкости для предупреждения поломки инструмента в процессе работы и теплостойкости, когда резание выполняется с повышенной скоростью.

Углеродистые стали небольшой прокаливаемости, не обладающие теплостойкостью (ГОСТ 1435—74). Углеродистые инструментальные стали У8 (У8А), У10 (У10А), У11 (У11А), У12 (У12А) и У13 (У13А) вследствие малой устойчивости переохлажденного аустенита имеют небольшую прокаливаемость, и поэтому эти стали применяют для инструментов небольших размеров.

Для режущего инструмента (фрезы, зенкеры, сверла, спиральные пилы, шаберы, ножовки ручные, напильники, бритвы, острый хирургический инструмент и т. д.) обычно применяют за-эвтектоидные стали (У10, У11, У12 и У13), у которых после термической обработки структура — мартенсит и карбиды. Деревообрабатывающий инструмент, зубила, кернеры, бородки, отвертки, топоры изготовляют из сталей У7 и У8, имеющих после термической обработки трооститную структуру.

Углеродистые стали в исходном (отожженном) состоянии имеют структуру зернистого перлита, низкую твердость (НВ 170— 180) и хорошо обрабатываются резанием. Температура закалки углеродистых инструментальных сталей У10—У13 должна быть 760—780 °С, т. е. несколько выше Ас1 но ниже Аст для того, чтобы в результате закалки стали получали мартенситную структуру и сохраняли мелкое зерно и нерастворенные частицы вторичного цементита. Закалку проводят в воде или водных растворах солей. Мелкий инструмент из сталей У10—У12 для уменьшения деформации охлаждают в горячих средах (ступенчатая закалка).

Отпуск проводят при 150—170 °С для сохранения высокой твердости (62—63 HRC).

Сталь У7 закаливают с нагревом выше точки Ас3 (800—820 °С) и подвергают отпуску при 275—325 °С (48—58 HRC) или при

400—500 °С (44—48 HRC).

Углеродистые стали можно использовать в качестве режущего инструмента только для резания материалов с малой скоростью, так как их высокая твердость сильно снижается при нагреве выше 190—200 °С.

350