Свойства цементуемых сталей после цементации, закалки и низкого отпуска
| Марка стали | Механические свойства | Прокаливаемость, Dкр, мм | ОР, Кv | Индекс стоимости | ||||||
| σв | σ0,2 | σ-1 | δ | Ψ | твердость | |||||
| сердцевины | поверхности | |||||||||
| Мпа | % | НВ | HRC | вода/ масло | ||||||
| 56-62 | 5-10/ - | 2,1 | 1,0 | |||||||
| 54-62 | 12-10/ - | 1,7 | 1,0 | |||||||
| 20Х | 54-62 | - /8-20 | 1,3 | 1,3 | ||||||
| 18ХГТ | 30/20-40 | 1,0 | 1,4 | |||||||
| 12ХН3А | 56-62 | 80/70 | 1,1 | 2,8 | ||||||
| 18Х2Н4МА | 58-62 | 100/95 | 1,2 | 4,0 |
Оптимальная глубина цементованного слоя для большинства деталей горных машин 1,0-1,4 мм. Рекомендуется газовая цементация при температуре 930-950оС; время цементации зависит от глубины цементованного слоя (скорость цементации 0,1мм/ч). Нитроцементация проводится при температуре 820-860оС со скоростью 0,15 мм/ч; глубина слоя 0,2-0,8 мм.
Режимы термической обработки после цементации приведены в табл. 3.
Таблица 3
Режимы термической обработки цементуемых сталей
После цементации
| Марка стали | Термическая обработка | ||
| вид * | температура, оС | среда охлаждения | |
| З | вода | ||
| О | воздух | ||
| З | вода | ||
| О | воздух | ||
| 20Х | З | масло | |
| О | воздух | ||
| 18ХГТ | З | масло | |
| О | воздух | ||
| 12ХН3А** | О | воздух | |
| З | масло | ||
| О | воздух | ||
| 18Х2Н4МА** | О | воздух | |
| З | масло | ||
| О | воздух |
* Вид термической обработки: З-закалка, О-отпуск.
** Стали 12ХН3А, 18Х2Н4МА после цементации подвергаются промежуточному высокому отпуску для снижения количества остаточного аустенита в цементованном слое. Сталь 18Х2Н4МА имеет порог хладноломкости –80оС.
Детали группы 2. Материал должен иметь высокий предел выносливости, значительную (желательно сквозную) прокаливаемость, достаточную ударную вязкость, для некоторых поверхностей детали высокую износостойкость. Такие свойства обеспечивают улучшаемые среднеуглеродистые и легированные стали. Эти стали приобретают высокие механические свойства после термического улучшения – закалки и высокого отпуска (500-650оС) на структуру сорбит. Высокие механические свойства улучшаемых сталей возможно лишь при обеспечении требуемой прокаливаемости, мелкого зерна и отсутствии отпускной хрупкости.
Для деталей, работающих в основном на изгиб и кручение, необходима прокаливаемость Dкр³0,25Dдетали; для деталей, работающих на растяжение, требуется однородность свойств по всему сечению, что обеспечивает сквозная прокаливаемость Dкр=Dдетали.
Среднеуглеродистые стали 30…55 имеют низкую прокаливаемость, поэтому целесообразны для деталей (валы, оси и т.п.), испытывающих в основном напряжения изгиба и кручения, с сечением до 30мм и для деталей, работающих на растяжение, сжатие (шатуны, ответственные болты и т.п.), с сечением до 12мм. Работоспособность подобных деталей определяется σ-1,что обеспечивает улучшение.
Для изготовления более крупных деталей, работающих при невысоких циклических и контактных нагрузках, используют стали 40, 45, 50 после нормализации и поверхностной индукционной закалки с нагревом ТВЧ тех мест, которые должны иметь высокую твердость поверхности (HRC 40-58) и сопротивление износу (шейки коленчатых валов, кулачки, зубъя шестерен и т.п.).
Среднеуглеродистые (0,3-0,5% С) легированные стали имеют большую прокаливаемость, чем углеродистые.
Хромистые стали 40Х, 45Х, 50Х относятся к дешевым конструкционным сталям, прокаливаются на глубину 15-25мм, применяются для деталей небольшого сечения, а из-за невысокой вязкости рекомендуются для деталей, работающих без значительных нагрузок.
Хромокремнемарганцевые стали 30ХГСА, 35ХГСА (хромансили) - дешевые стали, сочетающие хорошие технологические и механические свойства, прокаливаются в сечениях 30-40 мм. Их широко применяют в автомобилестроении: валы, детали рулевого управления, сварные конструкции.
Хромоникелевые стали 40ХН, 45ХН, 50ХН обеспечивают высокий комплекс механических свойств в деталях сечением 40-50 мм. Из-за присутствия никеля эти стали, в отличие от хромистых, имеют более высокий температурный запас вязкости и меньшую склонность к хрупкому разрушению.
Перечисленные стали склонны к отпускной хрупкости, устранение которой требует быстрого охлаждения от температуры отпуска.
Хромоникельмолибденовые (вольфрамовые) стали 40ХНМА, 40ХН2МА, 38ХНМА, 38ХН3МФА относятся к глубокопрокаливающимся сталям, предназначенным для деталей с поперечным сечением 100 мм и более. Их комплексное легирование обеспечивает устранение отпускной хрупкости даже в деталях большого сечения. Недостатки этих сталей: высокая стоимость, пониженная обрабатываемость резанием. Стали предназначены для деталей наиболее ответственного назначения (валы и роторы турбин, тяжелонагруженные детали компрессорных машин, редукторов).
В массовом производстве для повышения долговечности осей, валов, пальцев, зубчатых колес, звездочек используют закалку с индукционным нагревом ТВЧ на толщину закаленного слоя 1-3 мм с твердостью 45-56 HRC. Но метод поверхностной закалки мало эффективен для деталей сложной формы. В местах обрыва закаленного слоя, не охватывающего галтели, выточки и т.п. концентраторы, возникают высокие остаточные напряжения растяжения, снижающие выносливость. этого недостатка нет при химико-термической обработке, обеспечивающей равномерное упрочнение, высокую выносливость и износостойкость.
Среднеуглеродистые легированные стали азотируют на глубину 0,3-0,6 мм в среде аммиака при 480-520оС. Выдержка определяется глубиной слоя, скорость азотирования 0,01мм/ч, охлаждение с печью до 100-150оС. До азотирования детали подвергают улучшению и чистовой механической обработке, после азотирования детали только шлифуют или полируют.
Недостатки азотирования, в сравнении с цементацией, - большая длительность процесса и значительно меньшее сопротивление контактной усталости. Контактная выносливость – важнейший фактор определяющий ресурс работы зубчатых передач. Кроме того, азотированные зубъя хуже переносят перегрузки, ударные, пиковые и вибрационные нагрузки.
Высокую эффективность обеспечивает комбинированное упрочнение – закалка ТВЧ и поверхностное пластическое деформирование (ППД).
Таблица 4