Выбор стали и упрочняющей термической обработки для деталей машин и инструментов

 

Выбор сталей для изготовления деталей машин и методов их упрочнения определяется уровнем требуемой конструкционной прочности, технологичностью механической, термической и химико – термической обработки, объемом производства, стоимостью материала и себестоимостью упрочняющей обработки. При выборе стали и упрочняющей обработки исходят из следующих общих требований.

Эксплуатационные требования. Сталь должнаудовлетворятьусловиям работы в машине, т.е. обеспечить заданную конструкционную прочность, что вначале определяется расчетными данными. Конструкционная прочность – комплексная характеристика, включающая сочетание критериев прочности, надежности и долговечности, обеспечивающих надежную и длительную работу изделия в условиях эксплуатации.

Критериями прочности при статических нагрузках являются временное сопротивление или предел текучести , характеризующие сопротивление материала пластической деформации. Критерий прочности при циклических нагрузках – предел выносливости (при симметричном круговом изгибе ). По величине выбранных критериев прочности рассчитывают допустимые рабочие напряжения. При этом, чем больше прочность материала, тем больше допустимые рабочие напряжения и тем самым меньше размеры и масса детали.

Для ограничения упругой деформации материал должен обладать высоким модулем упругости Е (или сдвига), являющимся критерием его жесткости. Именно критерий жесткости, а не прочности обусловливает размеры станин станков, корпусов редукторов и других деталей, от которых требуется сохранение точных размеров и формы.

Однако, каким бы не были расчеты, только по ним нельзя судить о надежности работы детали. Необходимы натурные испытания, т.е. испытания самих деталей как на специальных стендах, так и непосредственно в эксплуатации. Имея информацию о стойкости деталей, можно установить комплекс прочностных и других параметров, которые находятся в наибольшей корреляции с эксплуатационными свойствами деталей машин. Для многих машиностроительных сталей ( < 1000МПа) определение вязкости разрушения затруднено. Поэтому о сопротивлении хрупкому разрушению судят не по вязкости разрушения , а по температурному

порогу хладноломкости .

Элементы машин и конструкций могут работать в экстремальных условиях, при низких или высоких температурах, испытывать большие динамические, статические и циклические перегрузки, воздействие агрессивных сред и т.д., приводящие к отказам деталей машин. При перегрузках в деталях из пластичных материалов возможна пластическая деформация (изгиб осей и валов, растяжение болтов, слияние посадочных поверхностей в крепежных деталях и т.д.) или вязкое разрушение. При длительной эксплуатации при высоких температурах за счет ползучестинередко наблюдаются недопустимые деформации. Ползучесть материала лопаток и дисков турбин, паропроводов и других деталей ограничивает срок их службы. В соответствии со статическими данными деформация и вязкое разрушение являются причиной 15 – 20 % всех отказов.

Образование хрупких трещин чаще происходит при низких температурах эксплуатации, наличии исходных дефектов типа трещин, повышенных остаточных напряжениях, возникновении статических и динамических перегрузок, а также при увеличении размеров начальных дефектов под действием циклических эксплуатационных нагрузок и коррозии. Хрупкое разрушение судов, мостов, кранов, строительных и дорожных машин обычно начинается в зонах концентрации напряжений эксплуатационных повреждений и увеличения вероятности одновременного сочетания факторов, способствующих снижению сопротивления хрупкому разрушению.

Повышение сопротивления деталей машин (конструкций) хрупкому разрушению не может быть достигнуто повышением запасов статической прочности, т.е. снижением их номинальной напряженности и увеличением сечения. Это должно достигаться использованием более стойких к переходу в хрупкое состояние материалов, надлежащих конструктивных форм и технологии изготовления, повышением требований к дефектоскопическому контролю на стадии изготовления машин или конструкций для отработки некачественного металла или некачественно изготовленных деталей. Надежность работы конструкции во многом определяется сопротивлением материала распространению трещин, т.е. его вязкостью разрушения . Работоспособность зубчатых колес, валов, осей, коленчатых валов, штоков, рам транспортных и грузоподъемных машин, рессор, пружин, сварных соединений и многих других деталей и конструкций определяет сопротивление усталости.. Предел выносливости снижается также с увеличением размеров деталей (масштабный фактор) и более интенсивно под влиянием коррозионной среды, вызывающей повреждение поверхности в виде углублений, сетки трещин и других концентраторов напряжений.

Большинство отказов деталей машин (до 80-90%) связано с различного рода изнашиванием вследствие потери точности, снижения кпд и повышения амплитуды переменных нагрузок, что вызывает усталостное разрушение.

Уменьшение износа достигается правильной конструкцией узлов трения (выбор вида трения в опорах, системы смазки, создание устройств для очистки воздуха и смазочного масла и др.),применением износостойких материалов, упрочнением поверхности закалкой, химико – термической обработкой, наплавкой износостойкими сплавами, нанесением на поверхность тонкого слоя нитридов или карбидов и др.

Такие детали, как подшипники качения, зубчатые колеса, валы и многие другие детали подвержены усталостному изнашиванию (контактной усталости). Контактная усталость тем выше, чем больше твердость. Повышение предела контактной выносливости достигается упрочнением поверхности, повышением предела прочности материала, снижением нагрузки в зоне контакта, улучшением чистоты поверхности, а также повышением вязкости масла.

Технологические требования. Сталь должна удовлетворять требованиям минимальной трудоемкости изготовления детали. В частности, сталь должна обладать хорошей обрабатываемостью резанием и давлением, и поэтому особое значение приобретает выбор правильного режима предварительной термической обработки заготовок, который назначается с учетом последующих процессов упрочнения. Предварительная термическая обработка осуществляется в заготовительных цехах и сводится к нормализации (углеродистые стали), нормализации и высокому отпуску при 600-670 (легированные стали), отжигу, изотермическому отжигу или высокому отпуску на твердость HB156-220.

1.3.1 Алгоритм решения задачи по выбору и обоснованию марки конструкционных материалов, вида и режима термической обработки для конкретных деталей в зависимости от условий их работы

При выборе металла и сплава необходимо обосновать данный выбор с учетом надежности работы детали в условиях эксплуатации конкретно для данной задачи.

В задачах приведены типичные условия использования изделий в разных отраслях промышленности; сформулированы характерные свойства, которые должен иметь сплав в соответствующем изделии.

Для решения задач необходимо:

1) проанализировать условия работы детали;

2) выяснить напряженное состояние, которое возникает при этих условиях работы;

3) назвать возможные виды разрушений и другие причины выхода деталей из строя;

4) указать способы исправления этих причин;

5) определить группу сплавов, которые по своим свойствам близки требуемым;

6) выбрать материалы менее дорогие, но надежные в эксплуатации.

Все это позволяет снизить материалоемкость указанных изделий, что имеет большое технико-экономическое значение.

При выборе материала необходимо также учитывать и технологические свойства. Если окажется, что материал не удовлетворяет требованиям задачи, необходимо улучшить свойства путем выбора режима термической обработки. При этом следует указать виды и режимы термической обработки, температуру, структуру и свойства стали, учесть экономические и производственные факторы. Особенно это касается деталей, которые выпускаются в массовом или крупносерийном производстве. Сделанный выбор сплава необходимо обосновать.При решении задач рекомендуется использовать справочные данные, приведенные в приложении.

 

Пример решения задач

Необходимо изготовить вал диаметром 70 мм для работы с большими нагрузками. Завод имеет на складе сталь марок 45 и 20ХН3А.

Какую сталь следует применить для изготовления вала, чтобы сталь имела 740 МПа?

 

Решение. Химический состав сталей (в%) приведен в таблице 1.1.

Таблица 1.1

Химический состав сталей (в%)

Марки стали	С	Mn	Si	Cr	Ni	S	P
20XH3A	0,17-0,23	0,3-0,6	0,17-0,37	0,6-0,9	2,75-3,15	0,025	0,25
Сталь45	0,42-0.50	0,50-0,80	0,17-0.37	0.25	0,25	0,45	0,40

 

У стали 45 в состоянии поставки НВ= 207. При НВ=200, предел прочности = 300 МПа.

Сталь 20ХН3А в состоянии поставки НВ= 250. При НВ=250, предел прочности = 400 МПа.

Отсюда видно, что мало у обеих марок. Поэтому надо использовать термическую обработку, т.к. вал воспринимает динамическую нагрузку и вибрацию, целесообразно также применить закалку и отпуск.

Сталь 45 (доэвтектоиднная сталь) полная закалка мартенсит закалки, отпуск сорбит отпуска. Но все это будет в поверхностном слое

.

Сталь 20ХН3А легирована никелем и хромом для повышения прокаливаемости и закаливаемости. После полной закалки (850 ) в масле и высокого отпуска (600 ) в масле получим однородную структуру по сечению детали.

Как мы видим из анализа для вала диаметром 70мм, необходимо использовать сталь 20ХН3А, так как её свойства удовлетворяют заданным условиям.