Лахтин Ю.М., Леонтьева В.П. Материаловедение

Подождите немного. Документ загружается.

кости (от + 20 до —

60°С),

склонность к отпускной хрупкости и росту зер-

на

аустенита при нагреве. Введение титана обеспечивает хромомарганце-

вой стали меньшую склонность к перегреву, а бора увеличивает

нрокаливаемость (см. табл. 11).

Хромокремнемарганцевые стали. Высоким комплексом свойств обладают

хромокремнемарганцевые стали (хромансил). Стали" 20ХГС,

25ХГС

ЗОХГС обладают высокой прочностью и хорошей свариваемостью (см.

табл. 11). Стали хромансил применяют также в виде листов и

труб

для от-

ветственных сварных конструкций (например, в самолетостроении).

Сталь ЗОХГС подвергают улучшению (см. табл. 11) или изотермической

закалке на нижний бейнит в расплавленной соли при

280—310°С,

сооб-

щающей еще более высокие механические свойства (ст

= 165 кгс/мм

;

<*о,2 = 130 кгс/мм

; 8 = 9%; \|/ = 40% и я

= 4 кгс-м/см

) и снижающей чув-

ствительность к надрезам.

Стали хромансил склонны к обратимой отпускной хрупкости

обезуглероживанию при нагреве.

Более высокая прокаливаемость, критический диаметр для закалки в воде

свыше 100 мм и масле свыше 75 мм и лучшая вязкость достигаются при

введении

1,4—1,8%

Ni в сталь хромансил (30ХГСНА). Эта сталь после изо-

термической закалки или закалки в масле (на

воздухе)

с низким отпуском

при

200°С

позволяет получить а

= 165 кгс/мм

; а

0 2

= 140 кгс/мм

; 5=9%

«н = 6 кгс

•

м/см

Высокопрочную сталь 30ХГСНА и ее аналог 30ХГСНМА широко при-

меняют для изготовления весьма ответственных деталей, в том числе

сварных.

При

использовании высокопрочных сталей (ЗОХГС, 30ХГСНА и др.) не-

обходимо учитывать, что они чувствительны к концентраторам напряже-

ний,

особенно после обычной закалки и отпуска, охрупчиванию в результа-

те насыщения водородом (например, при гальванических покрытиях или

травлении) и коррозии под напряжением.

Хромоникелевыс стали. Благодаря большей устойчивости переохла-

жденного аустенита (рис. 157, в, г) хромоникелевые стали обладают высо-

кой

прокаливаемостью, хорошей прочностью и вязкостью. Они приме-

няются для изготовления крупных изделий сложной конфигурации,

работающих при вибрационных и динамических нагрузках. Никель обеспе-

чивает наибольший запас вязкости, а в сочетании с хромом — большую

прокаливаемость. Никель, особенно в сочетании с молибденом, сильно

снижает порог хладноломкости. Чем выше содержание никеля, тем ниже

допустимая температура применения сгали и выше ее сопротивление

хруп-

кому разрушению.

В улучшаемые стали рекомендуется вводить < 3,0% Ni. При большем

содержании никеля получается много остаточного аустенита.

Для тяжелонагруженных деталей с диаметром сечения до 70 мм ис-

пользуют хромоникелевые стали 40ХН, 45ХН и 50ХН, обладающие высо-

кими

механическими свойствами.

Хромоникельмолнбдсиовые сгали. Хромоникелевые стали обладают

склонностью к обратимой отпускной хрупкости, для устранения которой

многие детали из этой стали

охлаждают

после высокого отпуска в масле,

а более крупные детали — в воде. Однако даже охлаждение в воде для

271

многих крупногабаритных деталей из глубокопрокаливающихся хромони-

келевых сталей не приводит к достаточно быстрому охлаждению внутрен-

них частей, в которых развивается отпускная хрупкость. Для предотвраще-

ния

этого дефекта стали дополнительно легируют молибденом (сталь

40ХН2МА) или вольфрамом. Небольшие детали из этих сталей (см. табл.

11) после высокого отпуска можно охлаждать на

воздухе,

а более круп-

ные — в масле.

Хромоникельмолибденованадиевые стали. Нередко в хромоникелевую

сталь кроме молибдена (вольфрама) добавляют ванадий, который способ-

ствует

получению мелкозернистой структуры. Примером сталей, легиро-

ванных Cr, Ni, Mo и V,

могут

служить 38ХНЗМФ и 36Х2Н2МФА.

Большая

устойчивость переохлажденного аустенита обеспечивает высокую

прокаливаемость этих сталей (критический диаметр свыше 100 мм), что по-

зволяет упрочнять термической обработкой крупные детали. Даже в очень

больших сечениях (1000

—

1500 мм и более) в сердцевине после закалки

образуется бейнит, а после отпуска сорбит. Указанные стали обладают вы-

сокой

прочностью, пластичностью и вязкостью и низким порогом хладно-

ломкости (см. табл. 11). Этому способствует высокое содержание никеля.

Молибден, присутствующий в стали, повышает ее теплостойкость. Эти

стали можно использовать при

400-450°С.

Недостатками высоколегированных хромоникельмолибденованадиевых

сталей являются трудность их обработки резанием и большая склонность

образованию флокенов. При обнаружении их хотя бы в одной поковке

бракуют все поковки данной плавки. Стали применяют для изготовления

наиболее ответственных деталей турбин и компрессорных машин, для ко-

торых требуется материал особой прочносги в крупных сечениях (поковки

валов и цельнокованых роторов турбин, валы высоконапряженных трубо-

воздуходувных

машин, детали редукторов и т. д.).

МАРТЕНСИТНОСТАРЕЮЩИЕ

ВЫСОКОПРОЧНЫЕ

СТАЛИ

Высокая конструктивная прочность изделия достигается только тогда, ког-

да оно изготовлено из материала, обладающего большой прочностью

высоким сопротивлением хрупкому разрушению. Это обеспечивает ма-

лую чувствительность стали к концентраторам напряжений, а как след-

ствие этого, высокую эксплуатационную надежность. Этим требованиям

значительной степени отвечают безуглеродистые (^ 0,03% С) мартенсит-

ностареющие стали (углерод и азот — вредные примеси, снижающие пла-

стичность и вязкость стали).

Мартенситностареющие стали представляют собой сплавы железа с ни-

келем (8—20%), а часто и с кобальтом. Для протекания процесса старения

мартенсите сплавы дополнительно легируют Ti, Be, Al, Nb, W, Mo.

Упрочнение этих сталей достигается в результате получения маргенситной

структуры в процессе закалки и старения мартенсита.

Никель

и кобальт, уменьшая растворимость Ti, Al, Mo и W в ос-железе,

способствуют упрочнению при старении и одновременно повышают со-

противление хрупкому разрушению. Кобальт, повышая точку М

, позво-

ляет увеличить концентрацию в стали элементов, вызывающих упрочнение

272

при

старении, но резко снижающих точку М

. При введении кобальта, та-

ким

образом, уменьшается вероятность получения после закалки большо-

го количества остаточного аустенита. Наиболее эффективно упрочняют

сталь при старении Be, Ti и А1 вследствие образования упрочняющих фаз:

NiBe, NiTi, Ni

Ti, NiAl, (Ni, Fe) Al и др.

Хром упрочняет мартенсит сталей Fe - Ni - Ti и Fe — Ni — Al при ста-

рении

и повышает сопротивление коррозии.

Широкое

применение в технике получила высокопрочная мартенситно-

стареющая сталь Н18К9М5Т (^ 0,03% С, ~ 18% Ni, ~9% Co, ~ 5% Мо,

-0,7% Ti).

Сталь закаливают на

воздухе

800-850°С.

Нагрев до более высоких

температур

ведет

к росту зерна и к снижению пластичности. После закал-

ки

сталь состоит из безуглеродистого мартенсита, имеющего наряду с по-

вышенной

прочностью,

хорошую

пластичность и вязкость:

ст

•*=

110 н- 120

кгс/мм

;

ст

= 95 ч- 110 кгс/мм

; 6 = 18 -т- 20%; \|/ = 70 -г- 80% и а

= 20 -4- 25

кгс

•

м/см

. Таким образом, характерной особенностью безуглеродистого

мартенсита является высокая пластичность и вязкость. В закаленном со-

стоянии

сталь сравнительно легко обрабатывается давлением, резанием

хорошо сваривается. При закалке стали деформации изделий незначи-

тельны.

Старение при

48О-520°С

повышает прочность, но снижает пластич-

ность и вязкость. Механические свойства после старения: ст

= 190 ч-210

кгс/мм

; а

= 180 н- 200 кгс/мм

; 5 = 8 ~ 12%; \|/ = 40 - 60%; и а„ = 4 н- 6

кгс

•

м/см

. Упрочнение при старении связано с выделением из мартенсита

дисперсных частиц (диаметром 40

—

80 .А) ингерметаллидов типа Ni

Ti,

NiTi

и Fe

Mo (фаза Лавеса).

Сталь Н18К9М5Т имеет высокий предел

упругости

(а

0 002

= 150

кгс/мм

) и поэтому может применяться для пружин. При низких темпера-

турах

прочностные свойства, как это обычно наблюдается в стали,

возрастают, но при сохранении повышенной пластичности и вязкости.

При

-196°С

= 240 кгс/мм

, 5 = 9% и а

= 3 кгс-м/см

Кроме

стали Н18К9М5Т нашли применение менее легированные мар-

тенситностареющие стали: Н12К8МЗГ2, Н10Х11М2Т (о

= 140-И 50

кгс/мм

Н12К8М4Г2, Н9Х12Д2ТБ (а

160-f-180

кгс/мм

) и др.

Мартенситностареющие стали с

10-12%

Сг

обладают

хорошей сопро-

тивляемостью коррозии.

Мартенситностареющие стали применяют в авиационной промышлен-

ности,

в ракетной технике, в судостроении, в приборостроении для

упру-

гих элементов, в криогенной технике и т. д. Эти стали дорогостоя-

щие.

8. СТАЛИ (ЧУГУНЫ) И РЕЖИМЫ УПРОЧНЯЮЩЕЙ

ТЕРМИЧЕСКОЙ

ХИМИКО-ТЕРМИЧЕСКОЙ

ОБРАБОТКИ,

РЕКОМЕНДУЕМЫЕ

ДЛЯ ТИПОВЫХ ДЕТАЛЕЙ МАШИН

Выбор стали для изготовления той или

другой

детали и метод ее упрочне-

ния

в первую очередь определяется условиями работы детали, величиной

273

характером напряжений, возникающих в ней в процессе эксплуатации,

размерами и формой детали и т. д.

При

выборе стали исходят из общих требований, приведенных ниже.

Эксплуатационное

требование.

Сталь должна удовлетворять усло-

виям

работы в машине, т. е. обеспечивать заданную конструктивную про-

чность, что вначале определяется расчетными данными. Однако, какими

бы точными 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 эксплуата-

ции.

Имея информацию о стойкости деталей, можно установить комплекс

прочностных и

других

параметров, которые находятся в наибольшей кор-

реляции

с эксплуатационными свойствами деталей машин. При установле-

нии

этих параметров кроме стандартных механических свойств (а

, ст

, 5,

\|/,

) с учетом прокаливаемое™ стали должны учитываться работа рас-

пространения

трещины, предел выносливости, контактная усталостная

прочность,

сопротивление износу и т. д.

Технологическое

требование.

Сталь должна удовлетворять требова-

ниям

минимальной трудоемкости изготовления детали. В частности, сталь

должна обладать хорошей обрабатываемостью резанием и давлением,

поэтому особое значение приобретает выбор правильного режима пред-

варительной термической обработки заготовок, который назначается с уче-

том последующих процессов упрочнения.

Экономическое

требование.

Материал должен быть возможно деше-

вле, с учетом всех затрат, включающих не только стоимость стали, но

изготовление детали и, наконец, их эксплуатационную стойкость в маши-

нах, в которых они должны работать. В первую очередь нужно стремиться

выбрать менее

дорогую

сталь,

углеродистую

или низколегированную.

Стоимость этих сталей

100—120

р. за 1 т. Дорогие же легированные кон-

струкционные стали

(200-300

р. за 1 т), содержащие Ni, Mo, V и др., сле-

дует

применять лишь в тех случаях, когда более дешевые стали не обеспе-

чивают требования, предъявляемые к изделию. Применение легированной

стали должно быть технически и экономически целесообразным и оправда-

но

в том случае, если она

дает

экономический эффект за счет повышения

долговечности деталей и уменьшения расхода запасных частей и, таким

образом, экономии металлопроката.

Эти

общие требования к материалу нередко противоречивы. Так, на-

пример,

более прочные материалы менее технологичны, труднее обрабаты-

ваются при резании, холодной объемной штамповке, сварке и т. д. Реше-

ние

при выборе материала обычно компромиссно,

между

указанными

требованиями

к стали. В массовом машиностроении предпочитают упро-

щение

технологии и снижение трудоемкости в процессе изготовления

дета-

ли,

некоторой потере свойств или увеличению массы детали. В спе-

циальных отраслях машиностроения, где проблема прочности (или

проблема удельной прочности) играет решающую роль, выбор материала

последующая. технология термической обработки должны рассматри-

ваться из условия достижения только максимальных эксплуатационных

Для получения навыков в выборе материала рекомендуется решение задач, приведенных

книге: Ю. А. Геллер, А. Г. Рахштадт. Материаловедение, 4-е изд. М.. Металлургия. 1975.

446 с.

274

свойств.

Вместе

с тем не

следует

стремиться к излишне высокой долговеч-

ности деталей по отношению к долговечности самой машины.

При

решении вопроса о выборе стали для получения

требуемых

меха-

нических свойств и

других

характеристик также важно установить опти-

мальный вид упрочняющей термической или химико-термической обра-

ботки. При выборе упрочняющей обработки, особенно в условиях

массового производства, предпочтение

следует

отдавать наиболее

эконо-

мичным и производительным технологическим процессам, например; по-,

верхностной закалке при поверхностном или глубинном индукционном на-

греве, газовой цементации, нитроцементации и т. д.

Для проведения упрочняющей обработки на

каждую

деталь

составляет-

ся

технологическая карта с указанием марки стали, режима термической

обработки, применяемого оборудования, приспособления, контроля каче-

ства и т. д.

Обычно рассматривается возможность применения нескольких марок

стали и способов упрочнения. Это позволяет выбрать наиболее рацио-

нальный вариант, обеспечивающий наряду с высокими эксплуатационными

свойствами детали

хорошую

технологичность при выполнении механиче-

ской

и термической обработки.

Первыми параметрами, определяющими выбор стали, являются

меха-

нические свойства и распределение их по сечению. Как было указано ранее,

оптимальное сочетание прочности и пластичности после улучшения дости-

гается, если сечение изделия

соответствует

критическому диаметру (95%

мартенсита) для данной стали (см. стр. 203).

Механические свойства стали в первую очередь определяются содержа-

нием

в них

углерода,

от которого зависит и закаливаемость стали. Прока-

ливаемость определяется присутствием легирующих элементов. В условиях

полной

прокаливаемости механические свойства мало зависят от природы

степени легированности. Исключение составляют никель и молибден, по-

вышающие сопротивление хрупкому разрушению. Однако не

следует

стре-

миться к применению сталей с излишне высокой прокаливаемостью, по-

скольку необходимое для этого высокое содержание хрома, марганца

кремния способствует росту склонности к хрупкому разрушению.

Глубокопрокаливающиеся легированные стали применяют для крупных

деталей с большой толщиной стенки или большим диаметром. Если изде-

лия

работают на изгиб (кручение), напряжения по сечению распределяют-

ся

неравномерно: на поверхности они максимальны, а в середине или

центре равны нулю. Для такого рода изделий сквозная прокаливаемость

не

нужна.

Для надежного обеспечения прочности ответственных деталей, рабо-

тающих при эксплуатации в основном на изгиб и кручение, закаленный

слой со структурой 95% мартенсита должен располагаться на глубине не

менее 1/2 радиуса от поверхности.

Для деталей, работающих на растяжение (шатуны, торсионные валы,

ответственные болты и др.), а также для рессор и пружин нужно обеспе-

чить полную прокаливаемость по всему сечению (95% мартенсита в центре

заготовки).

Для большинства ответственных деталей машин из

улучшаемых

сталей

твердость после закалки на расстоянии 1/2 радиуса от поверхности должна

275

быть не менее HRC 45. Для изделий, работающих на растяжение, опти-

мальная твердость должна быть в сердцевине. Детали сложной конфигура-

ции

для уменьшения их деформации в процессе закалки также

следует

из-

готовлять из легированных сталей, закаливаемых в масле или

даже

на

воздухе.

При

выборе стали

следует

учитывать, что легирующие элементы повы-

шают устойчивость аустенита против отпуска, поэтому для получения тре-

буемой прочности и твердости легированные стали при улучшении подвер-

гают

отпуску при более высокой температуре. Это позволяет не только

более полно снять закалочные напряжения, но и получить в стали

лучшее

сочетание прочности и вязкости.

Для изделий,

требующих

высоких значений а

, а

и низкого порога

хладноломкости (работающих при низких

температурах

с высокими скоро-

стями приложения нагрузки и при наличии концентраторов напряжений),

следует

применять наследственно мелкозернистые спокойные стали, пред-

почтительно легированные никелем и молибденом.

Содержание легирующих элементов в стали, предназначенных для изго-

товления деталей, упрочняемых цементацией (нитроцементацией), так же

как

улучшаемых,

не должно быть слишком высоким, но должно обеспе-

чивать

требуемую

прокаливаемость поверхностного слоя и сердцевины

тормозить рост зерна аустенита при нагреве. Легирование должно обес-

печить возможность применения наиболее экономичного и технически вы-

годного метода термической обработки — непосредственной закалки из це-

ментационной

(нитроцементационной) печи.

Детали, подвергаемые цементации и нитроцементации, должны сопро-

тивляться износу при различных

удельных

давлениях, обладать высокой

прочностью при изгибе и кручении, а также высокими значениями

уста-

лостной прочности, противостоять высоким контактным напряжениям, со-

противляться схватыванию и задирам в условиях

сухого

трения и т. д.

Работоспособность цементованных деталей в эксплуатации зависит от

свойств поверхности и сердцевины. Поскольку слой

обладает

меньшей

пластичностью, чем сердцевина, при больших статических (изгибающих

крутящих) нагрузках пластическая деформация обычно возникает под

упрочненным слоем — в сердцевине, что, в свою очередь, приводит к уве-

личению деформации в слое. При превышении предела текучести сердце-

вины

и ограниченном запасе, пластичности слоя в нем образуются тре-

щины.

Следовательно, статическая прочность при изгибе и кручении, при

прочих равных условиях, зависит от предела текучести сердцевины и запа-

са пластичности в цементованном слое.

При

циклических нагрузках сопротивление цементованных и нитроце-

ментованных деталей разрушению зависит от прочности сердцевины.

Повышение

прочности сердцевины способствует увеличению и контакт-

ной

прочности. Например, при твердости выше HRC 35 допустимые

контактные напряжения при базе 10

циклов составляют 190 кгс/мм

а при твердости HRC 25

—

35 не превышают 175 кгс/мм

, поэтому

прокаливаемость приобретает одно из важнейших значений при выборе

стали. Однако сближение прочностных свойств слоя и сердцевины снижает

уровень остаточных сжимающих напряжений на поверхности, а увеличение

объема, претерпевающего фазовые и структурные превращения при терми-

276

ческой

обработке, повышает деформацию и коробление деталей после за-

калки.

Оба фактора приводят к снижению предела выносливости деталей,

особенно

при ухудшении точности зацепления

зубчатых

колес, деформации

сложных

зубчатых

зацеплений, шлицевых соединений и пр. Большое значе-

ние

имеет и прокаливаемость цементованного (нитроцементованного)

слоя.

После химико-термической обработки и закалки слой должен иметь

мартенситно-аустенитную

структуру

без наличия продуктов перлитного и

промежуточного превращения переохлажденного аустенита.

Иными

словами,

сталь не должна иметь склонность к внутреннему окислению, формирова-

нию

избыточных карбидов (карбонитридов) при насыщении и другим де-

фектам,

возникающим при химико-термической обработке. Образование

слое немартенситных продуктов превращения резко снижает предел

выносливости.

Рассмотрим выбор материала и упрочняющей термической

обработки для типовых деталей машин.

Валы.

В зависимости от назначения и условий работы эксплуатацион-

ная

стойкость валов определяется усталостной прочностью в условиях

кручения

и изгиба, контактной прочностью и износостойкостью.

Малонагруженные, медленно вращающиеся валы изготовляют из ста-

лей 35, 40, 45, а также из сталей СтЗ, Ст4, Ст5 и их не подвергают термиче-

ской

обработке.

Валы небольших размеров, например в станкостроении, которые дол-

жны

обладать высокой прочностью на изгиб и кручение, а также усталост-

ной

прочностью, изготовляют из сталей 40Х (диаметр вала d = 20 -f- 25 мм),

50Х (d = 35 н- 40 мм), 40ХГР (d — 50 ~ 55 мм) и подвергают закалке и

низко-

му отпуску (180 —220'С) на HRC 45 — 50, реже среднему отпуску

(410—430°С)

на HRC

35-42,

когда частота вращения валов невелика.

Средненагруженные валы диаметром до

80-100

мм в том случае, ког-

да их работоспособность определяется прочностьТю на изгиб и кручение,

а не контактной выносливостью и износостойкостью, рекомендуется изго-

товлять из сталей 45, 40Х и 50Х, которые после улучшения имеют предел

прочности

80-100

кгс/мм

(НВ

217-285).

Высоконагруженные валы большого диаметра (свыше

100—130

мм)

номинальным напряжением (более 50 кгс/мм

), изготовляемые из хромо-

никелевых и хромоникелемолибденовых глубокопрокаливающихся сталей

50ХН, 40ХНМА, 34ХНЗМА, после закалки и высокого отпуска (улучшения)

должны иметь ст

^ 100 кгс/мм

Для валов в турбо- и компрессоростроении, от которых требуется зна-

чительная прочность в больших сечениях, применяют стали 30ХН2ВФА,

36ХН1МФА, 38ХНЗМФА, 30Х2НВФА и др. Эти валы также упрочняются

закалкой

и последующим высоким отпуском.

Валы (гладкие, ступенчатые и шлицевые), работоспособность которых

определяется контактной выносливостью и износостойкостью, должны

иметь высокую поверхностную твердость не менее HRC 48 — 50. В станко-

строении

для обеспечения этой твердости валы небольших размеров изго-

товляют из сталей 45 и 50 и упрочняют их поверхностной закалкой при

индукционном

нагреве (табл. 12).

В тех случаях, когда к валам небольших размеров предъявляются так-

же и повышенные требования к усталостной прочности на изгиб и круче-

ние,

их перед поверхностной закалкой подвергают улучшению. В этом

277

Таблица

Стали

типовые режимы окончательной термической ооработки, рекомендуемые

для

Наименование вала

аметром

не

менее

140—150

мм)

в станкостроении

Валы гладкие, ступенчатые,

шлнцевыс ответственного

наз-

начения

станкостроении

Валы коробки передач авто-

мобиля

Коленчатые валы

судовых

автомобильных двигателей

Коленчатые валы дизеля

Марка

стали

(50)

20Х,

18ХГТ,

12ХНЗА

25ХГМ

15ХГН2ТА

40,

45,

ДОХ,

50Г,

40ХН,

40ХФА

45Х

18Х2Н4ВА

40ХНМА

Термическая обработка

Высокий отпуск 550

С, поверхностная

за-

калка

при

индукционном нагреве, отпуск

170-18О°С

Цементация

930°С,

нормализация

880 С

(при

необходимости), закалка, низкий отпуск

170-200

Нитроцемептация

850°С,

закалка

горячем

масле, низкий отпуск 180

Цементация,

закалка

масле, низкий

от-

пуск

Нормализация

или

закалка

высоким

от-

пуском, поверхностная закалка

при

индук-

ционном

нагреве коренных

шатунных шеек,

самоотпуск

150-170'С

Закалка

840°С,

отпуск

580-600"Q

жидкое

азотирование 570'С

Закалка

910 С

(воздух), отпуск 200'С

Закалка,

отпуск

55О°С,

азотирование

55О°С,

Закалка

880°С

(масло), отпуск

590°С

изготовления валов

Твердость

сердцевины.

НВ

Не

регламенти-

руется

186

207

302

217-302

30-35

25-35

163-269

НУ

250

-350

311-375

250-300

311-375

поверхности,

I1RC

(54-60)

56-62

56-65

58-64

- 62

НУ

550-700

НУ

600-700

Толщина

упрочненного

слоя,

мм

1.3-2,0

0.7-1,0

1.3-1.6

1,3-1,6

0,К-1,1

1,3-1,8

4-5

0,3-0,4

(карбо-

нитридный

слой

толщиной •

10—

мкм)

0,3-0,4

же случае более крупные валы изготовляют

из

легированных сталей

40Х,

40ХГТ

и др.,

обеспечивающих повышенную прокаливаемость. Когда

тре-

буется более высокая износостойкость

соответственно высокая твердость

(не

менее

HRC 56

—

58), например,

для

быстроходных валов станков диаме-

тром

25-30,

60-80,

80-100

мм, их

изготовляют

из

сталей

20Х,

18ХГТ

12ХНЗА соответственно, которые подвергают цементации (табл.

12).

В автостроении

для

изготовления ведущего

ведомого валов коробки

передач автомобилей разных конструкций

грузоподъемности применяют

стали

25ХГМ

(ЗИЛ-130), 15ХГНТА (МАЗ),

35Х и 40Х

(ГАЗ). Валы

из

стали

25ХГТ

упрочняют нитроцементацией

(HRC 60

—

65),

из

стали 15ХГНТ —

це-

ментацией

(HRC 58

— 64)

и 35Х

— цианированием

(HRC 48

—

53).

Эти

детали

после указанных режимов химико-термической обработки обладают высо-

ким

сопротивлением изнашиванию

высокой прочностью

на

изгиб.

Для изготовления цементируемых валов большого диаметра

(~ 100

мм),

когда требуется высокая прочность сердцевины, применяют сложно-

легированные стали, например

35Х2ГНТА,

обеспечивающие высокую

про-

каливаемость.

случаях, когда нужно особо высокое сопротивление изна-

шиванию,

валы изготовляют

из

стали 38Х2МЮА

последующим азотиро-

ванием.

Коленчатые

валы.

Коленчатый

вал

двигателя воспринимает высокие

нагрузки

от сил

инерции поступательного

вращательного движения масс.

Эти

силы инерции вызывают трение

износ шеек вала,

также

уста-

лостные явления

по

галтелям

и в

местах выходов масляных каналов.

Их

обычно изготовляют

из

стали,

а в

ряде случаев

и из

чугуна.

Коленчатые

валы тихоходных судов

автотракторных двигателей изготовляют

из ста-

лей

40, 45, 40Х,

40Г

(табл.

12). Для

изготовления валов быстроходных

дви-

гателей применяют легированные стали

40Х,

40ХН.

Поковки

коленчатых валов

для

получения необходимых механических

свойств, подготовки структуры

для

окончательной поверхностной закалки

обеспечения хорошей обработки резанием подвергают нормализации

(при

необходимости

отпуском)

или

улучшению. Улучшение также являет-

ся

окончательной упрочняющей обработкой валов.

Для

повышения

изно-

состойкости

шейки коленчатых валов подвергают закалке

при

индукцион-

ном

нагреве

самоотпуску.

Для повышения усталостной прочности галтели коленчатого вала иног-

да упрочняют обкаткой роликами

или,

реже, дробеструйной обработкой.

Коленчатые валы, воспринимающие высокие нагрузки, изготовляют

из ле-

гированных сталей 40ХНМА

18Х2Н4ВА

(см. табл.

12).

Долговечность

ко-

ленчатых валов

из

легированных сталей может быть повышена жидким

или

газовым азотированием

(см.

табл.

12).

Усталостная прочность колен-

чатых валов

результате жидкого азотирования повышается

на 60

—

80%.

Для изготовления коленчатых валов сложной формы

большими

фланцами

отверстиями наряду

со

сталью применяют высокопрочные

магниевые чугуны

(см. стр. 153).

Пониженная прочность чугунных валов

значительной степени компенсируется более конструктивными

их

форма-

ми,

малой чувствительностью

чугуна

концентраторам напряжений,

многоопорных валах меньшим смещением опор (благодаря низкому

мо-

279

дулю

упругости) и снижением опасности резонансных колебаний благода-

ря

повышенной демпфирующей способности.

Так,

например, коленчатые валы легкового автомобиля М-24

(«Волга»)

изготовляют из высокопрочного магниевого

чугуна

ВЧ 60

—

2 (3,2

—

3,4% С,

2,0-2,5%

Si,

1,15-1,3%

Mn, ^

0,003%

0,15-0,25%

Сг и

0,02-0,04%

Mg).

Их

отливают в оболочковых формах. Валы подвергают термической обра-

ботке по режиму: нагрев до

950°С

в течение 8 ч, охлаждение до

600°С,

по-

догрев до 725

С, выдержка при этой температуре 8 ч и охлаждение на воз-

духе.

В результате термической обработки происходит сфероидизация

перлита, и поэтому достигается значительное повышение механических

свойств (ст

= 50 + 70 кгс/мм

, 5 =

5^-8%,

ст„ = 90-И 10 кгс/мм

, НВ 207 -

241).

Коленчатый вал машины «Запорожец» отливают в оболочковые формы

из

высокопрочного

чугуна

ВЧ 50

—

2. Отливки подвергают низкотемпера-

турному отжигу при

640—660°С

в течение 3—4 ч с последующим охлажде-

нием

на

воздухе.

Коленчатый вал автомобиля ВАЗ из высокопрочного

чугуна

проходит

нормализацию, закалку шатунных и коренных шеек при индукционном на-

греве и отпуск при 180

—200°С

в течение 2 ч. Толщина упрочненного слоя

на

шатунных шейках 2,5 + 1 мм и коренных 2,25 + 1 мм, HRC 50 и выше.

Высокопрочный магниевый

чугун

применяют и для изготовления ко-

ленчатых валов тепловозов. Для повышения сопротивления износу и пре-

дела выносливости коленчатые валы подвергают азотированию. Толщина

слоя 0,7 мм и HRC 40. После азотирования шейки валов шлифуют для ис-

правления коробления, а галтели полируют.

— Шпиндели. Основное требование к материалу шпинделей для опор каче-

ния

и скольжения — обеспечение повышенной твердости с целью получе-

ния

высокого сопротивления изнашиванию, схватыванию, образованию за-

бонн,

вмятин и т. д. Сталь для шпинделей выбирают с учетом

прокаливаемое in в зависимости от сечения изделия. Чем больше толщина

стенки,

тем выше должна быть легировашюсть стали для обеспечения тре-

буемой прокаливаемое™.

Шпиндели

указанного тина для станков нормальной и повышенной

точности упрочняют поверхностной закалкой при нагреве ТВЧ (табл. 13)

или

объемной закалкой с отпуском на твердость HRC 40

—

50. Шпиндели

станков особо высокой точности упрочняют цементацией или азотирова-

нием

на твердость не менее HRC 56. В качестве материала для изготовле-

ния

цементуемых шпинделей применяют стали 20Х,

18ХГТ

и 12ХНЗА.

Применение

легированных сталей позволяет производить закалку в масле

(расплавленные соли), что снижает деформацию шпинделя. Шпиндели это-

го же типа, подвергаемые азотированию, изготовляют из сталей

18ХГТ

или

40ХФА.

После азотирования деформации шпинделей минимальные.

Шпиндели

для опор скольжения станков высокой точности чаще изго-

товляют из стали 38Х2МЮА и подвергают азотированию (см. табл. 13).

Для станков нормальной точности шпиндели можно изготовлять из стали

50 или У8 и упрочнять поверхностной закалкой при индукционном нагрс-

lic (HRC 58-62).

Зубчатые колеса. Наиболее часто выход из строя

зубчатых

колес связан

с контактным усталостным разрушением, торцовым износом, заеданием

280