МД-7(б) (839535), страница 2
Текст из файла (страница 2)
Заметим, что прочность увеличивают хром, никель и марганец. Однако марганец уменьшает показатель KCU. Как известно, с увеличением содержания углерода тоже увеличивается прочность, за счет содержания пластинок мартенсита в перлите доэвтектоидной стали, однако снижается KCU. Т.к. в задании нет требования по KCU, найдем наиболее надежный вариант – по возможности не используя особо дорогие л.э., подобрать сталь, имеющую после ХТО и последующей термической обработки наибольшую твердость, прочность и KCU
Чтобы серийное производство данного червяка было выгодным, не будем использовать очень дорогие л.э. (в таблице выделены желтым цветом)
К жаропрочности тоже нет отдельного требования, но при тепловом расчете червячной передачи мощность охлаждения подбирают по мощности тепловыделения так, что температура рабочей среды все равно примерно равна температуре окружающей среды. Данный червяк – деталь станка, так что сталь будет работать при комнатных температурах.
Окончательно обозначим требования, по которым произведем поиск сталей:
| Решение | Содержание углерода | Л.э. | Обработка | HRC | σ0,2, МПа | Δh, мм | KCU |
| 1 | 0,1-0,25% | Mn-содержащие | ХТО + закалка + отпуск | 59-62 | >900 | 1,2-1,4 | Наиб. |
| 2 | 0,1-0,25% | любые | ХТО + закалка + отпуск | Наиб. | |||
| 3 | 0,4-0,8% | Закалка + отпуск | - | ||||
| 4 | 0,4-0,8% | Cr | Закалка + отпуск | - | |||
| 5 | 0.4-0.8% | Cr + Ni | Закалка + отпуск | - |
Найдем по марочнику сталей и сплавов В.Г. Сорокина ГОСТ 4543-2016 1 стали, удовлетворяющую вышеприведенным требованиям. Возьмем данные о механических свойствах из раздела “Механические свойства в зависимости от температуры отпуска” (после закалки). В случае же цементации мы с большой вероятностью получаем нужную твердость поверхности.
| Решение | Сталь | σ0,2, МПа | HRC | Δh, мм | KCU, Дж/см2 | Относительное удлинение при разрыве |
| 1 | 19ХГН | >930 | Цементирование ~60 HRC Толщина упрочнения регулируется продолжительностью цементирования 1.2-1.4 мм | >69 | >7 | |
| 20ХГНР | >1080 | >88 | >10 | |||
| 20ХГНМ | >930 | >59 | >7 | |||
| 20ХГНТР | >980 | >78 | >9 | |||
| 25ХГМ | >1080 | >78 | >10 | |||
| 25ХГТ | >1080 | >59 | >9 | |||
| 25ХГНМТ | >1080 | >49 | >10 | |||
| 2 | 12Х2Н4А | >930 | >88 | >10 | ||
| 20Х2Н4А | >1080 | >78 | >9 | |||
| 20ХНР | >980 | >88 | >10 | |||
| 25Х2Н4МА | >930 | >88 | >11 | |||
| 3 | По возможной прочности подошли только сталь 55 и сталь 60, но сталь 60 не имеет достаточной твердости поверхности (максимум 45 HRC) и обе имеют чересчур малый KCU 5-10 Дж/см2 | |||||
| 4 | Стали 40Х, 45Х и 50Х не позволяют закалкой и отпуском достичь требуемой твердости (до 55HRC) Можно было бы ТВЧ закалкой достичь твердости поверхности без отпуска (59-67 HRC для стали 50Х), однако это значительно увеличит ее хрупкость. | |||||
| 5 | Стали 40ХН, 45ХН и 50ХН не позволяют достичь нужной твердости поверхности после закалки (макс. до 58 HRC) | |||||
Результаты поиска по марочнику В.Г. Сорокина и ГОСТ 4543-2016
Анализ приведенного списка показывает, что самый надежный вариант – сталь 20ХГНР. Её совместные параметры KCU и σ0,2 самые высокие в этом списке.
В виду большей распространенности стали 20ХГНР, будем использовать ее для изготовления червяка по условию задания. Найдем ее химический состав по ГОСТ 4543-2016.
| Марка стали | C | Si | Mn | Cr | Ni | B |
| 20ХГНР | 0.16-0.23 | 0.17-0.37 | 0.7-1.0 | 0.7-1.1 | 0.8-1.1 | 0,0008-0,0050 |
Химический состав стали по анализу ковшовой пробы
ЭТАП 4. Разработка режима упрочняющей термической обработки выбранной стали в соответствии с требованиями задания.
Необходимо добиться следующих свойств стали 20ХГНР:
-
Твердость поверхности 59-62 HRC
-
Глубина упрочненного слоя 1,2-1,4 мм
-
Прочность сердцевины 900 МПа
Т.к. в марочнике и ГОСТе указана рекомендуемая обработка и температуры каждого этапа для получения табличных свойств, воспользуемся этими данными как ориентиром. Для стали 20ХГНР:
| Термическая обработка | ||
| Цементация | Закалка | Отпуск |
| 930-950, воздух | 780-830, масло | 200, воздух или масло |
Теперь разработаем более подробное описание режима термической обработки с описанием микроструктурных изменений. Сперва найдем критические точки для нашей стали по марочнику
-
Цементация
При нагреве до температуры Ас1 мы получим аустенитную структуру. Дальнейшее повышение температуры приводит к увеличению зерен А – происходит процесс собирательной рекристаллизации. Очевидно, что при длительной цементации последствия этого процесса негативно скажутся на механических свойствах за счет увеличения зерна
Сама цементация занимает определенное время, чтобы углерод из газовой среды диффундировал в сталь. Из таблицы скоростей цементации в разных интервалах глубины слоя и температурах вычислим время, необходимое для цементации на 1,4 мм при температуре 930-950℃: от 2 до 3,5 ч
| Глубина слоя,мм | Скорость при различных температурах, мм/ч | ||||
| 900℃ | 925℃ | 950℃ | 975℃ | 1000℃ | |
| До 0.5 | 0.45 | 0.55 | 0.75 | - | - |
| 0.5-1.0 | 0.30 | 0.40 | 0.55 | 0.75 | 0.95 |
| 1.0-1.5 | 0.20 | 0.30 | 0.40 | 0.55 | 0.75 |
| 1.5-2.0 | 0.15 | 0.20 | 0.25 | 0.35 | 0.55 |
| 2.0-2.5 | 0.12 | 0.15 | 0.20 | 0.25 | 0.40 |
Охлаждение после цементации по рекомендации из марочника проводиться на воздухе. Это объясняется тем, что поверхность стали имеет высокую концентрацию углерода, наподобие заэвтектоидной. Поэтому резкое охлаждение превратит этот слой в мартенсит (М), который в виду меньшего объема начнет работать на растяжение от усадки. Это может вызвать большие остаточные напряжение или даже трещины.
Для предотвращения обезуглероживания лучше использовать нейтральную атмосферу, либо вакуумные печи. Скорость охлаждения 50-200℃/ч. Структура поверхности и сердцевины представляет собой перлит (П)
-
Закалка
Как известно, при промышленном нагреве до температуры Ас1, П в стали сохраняет пластинчатое строение, после чего начинается его превращение в аустенит (А). Зарождение зерен А происходит на межфазных границах пластинок. Одновременно происходит превращение Feα → Feγ и растворение цементита (Ц) в Feγ. Второй процесс занимает больше времени, поэтому при достижении температуры Ас1 после превращения в аустенитную микроструктуру следует подождать определенное время для достижения большей однородности по углероду. Это превращение имеет важное свойство в итоге – измельчение зерна стали. Соответственно, нагрев до температур выше Ас1 следует проводить ступенчато. Скорость нагрева до Ас1 выбирается максимальной – для большей степени мелкозернистости.
В доэвтектоидных сталях (в сердцевине) при нагреве от температуры от Ас1 до Ас3 происходит превращение феррита (Ф) в А и диффузия углерода, так что мы получим достаточно мелкозернистую структуру сердцевины при охлаждении. Небольшое увеличение зерен А в этом процессе компенсируется легирующими элементами, замедляющими рост зерна.
В заэвтектоидных сталях (в поверхностном слое) при нагреве от Ас1 до Ас3 происходит превращение Ц в А, мы получим более однородную структуру. Однако также происходит и выравнивание концентрации углерода от поверхности в сердцевину. Поэтому мы и провели изначально цементацию на более глубокий слой до 1,4мм.
Т.к. кристаллы Ц имеют большую твердость, чем М, проводят неполную закалку, чтобы их осталось больше
У сталей с содержанием углерода ниже 0,3% очень высокая критическая скорость Vкр (около 1200℃/с), поэтому при любом охлаждении сердцевины мы получим в ней структуру Ф+П. Но на поверхности мы имеем заэвтектоидную сталь, поэтому охлаждение требует образования структуры М. Как известно, большинство легированных сталей имеет Vкр около 120℃/с. Vохл в воде до пузырькового кипения около 200℃/с, но из-за обезуглероживающей реакции с водой и водородом, лучше использовать масло
Fе3С + Н20 = ЗFе + СО + Н2
Fе3С + 2Н2 = ЗFе + СН4
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
