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

Подождите немного. Документ загружается.

Таблица

Стали я типовые режимы окончательной термической обработки, рекомендуемые

для изготовления шпинделей станков

Наименование

детали

Шпиндели

для

станков

нормаль-

ной

точности

Шпиндели

для

опор

качения и

скольжения

стан-

ков

Марка

стали

18ХГТ

40ХФА

38Х2МЮА

Термическая обработка

Поверхностная закалка при

индукционном

последова-

тельном нагреве

Цементация

930'С, закалка

840°С,

отпуск

17О-21О°С

Закалка

890°С

(или норма-

лизация),

отпуск

650°С,

ос-

новная

механическая обра-

ботка, отпуск 610

С, азоти-

рование 510° С

Закалка

940°С,

отпуск

660°С,

основная механиче-

ская

обработка, отпуск

61(ГС, азотирование

510°С.

ступень) и

540°С

(II

ступень)

Твердость

сердцеви-

ны,

ИВ

—

255-285

229-269

поверхно-

сти,

HRC

58-62

56-62

610-700

Не

менее

850

Толщина

упрочнен-

ного

слоя,

мм

5-7

1,0-1,3

0,25

Не

менее

0,2

зубьев, а также с поломкой

зуба

или из-за усталости или кратковременных

перегрузок.

Сталь и вид окончательной термической или химико-термической обра-

ботки

для

зубчатых

колес устанавливаются в зависимости от их конструк-

ции

и условий службы. Силовые зубчатые колеса должны обладать высо-

кой

износостойкостью рабочих поверхностей и достаточной статической,

усталостной прочностью на изгиб и при контактном нагружении. Сталь

упрочняющая обработка шестерен должны обеспечить высокий предел

прочности,

усталостную прочность, в том числе и при контактном нагру-

жении,

а также удовлетворительную вязкость.

Этим

требованиям наиболее полно отвечают легированные цемен-

туемые или нитроцементуемые стали. После термической обработки

структура поверхностного слоя — мартенсит

отпуска, а сердцевины — фер-

ритно-цементитная

смесь различной степени дисперсности, бейнит или

низкоуглеродистый мартенсит.

Для средненагруженных колес помимо химико-термического упрочне-

ния

допускается применять закалку при индукционном нагреве (по контуру

или

сквозном - с обязательным упрочнением дна впадин

между

зубьями).

В этом

случае

зубчатые колеса изготовляют из сталей 45, 50, 40Х, 50Х,

50ХН.

Для средне- и малонагруженных шестерен некоторое применение полу-

чили

улучшаемые стали.

Для изготовления

зубчатых

колес в условиях единичного и мел-

косерийного

производства применяют улучшаемые стали 40, 45, 50Г, 40Х,

30ХГС

и др. В этом

случае

чистовое нарезание зубьев производится после

улучшения (НВ

280-320

- небольшие колеса и НВ

200-240

- крупные ко-

леса),

что обеспечивает высокую точность их размеров. Зубчатые колеса из

улучшаемых сталей хорошо прирабатываются.

Колеса

больших диаметров изготовляют из сталей 35Л — 50Л,

40ХЛ,

281

ЗОХГСЛ и др. Литые колеса подвергают нормализации, часто с последую-

щим

высоким отпуском (для легированных сталей).

Рассмотрим в качестве примера более подробно выбор стали и упроч-

няющей

обработки для цементуемых

зубчатых

колес автомобилей, тракто-

ров и станков.

Предварительная термическая обработка поковок шестерен автомобиля

трактора чаще сводится к изотермическому отжигу, который обеспечи-

вает хорошую обрабатываемость резанием и минимальные деформации

после окончательной химико-термической обработки. В зубьях автомо-

бильных шестерен, работающих в различных условиях, действующие на-

пряжения

могут

достигать высоких значений. Например, в автомобиле

ЗИЛ-130 в зубчатом колесе первой передачи и заднего

хода

напряжения

изгиба достигают 63,5 кгс/мм

, в шестернях третьей передачи очень высо-

ки

контактные напряжения, достигающие ~ 130 кгс/мм

Наиболее частой причиной выхода из строя

зубчатых

колес автомоби-

ля

является разрушение поверхности вследствие контактной усталости.

У шестерен коробок передач, подвергающихся периодическому переключе-

нию,

наблюдается торцовый износ, усталостное разрушение зубьев в опас-

ном

сечении. Иногда их разрушение происходит и от однократной нагруз-

ки

(перегрузки).

Ведущие цилиндрические зубчатые колеса автомобиля выходят из

строя, в основном (70%) из-за усталостного разрушения, ведомые кониче-

ские

зубчатые колеса — из-за повышенного износа.

Зубчатые колеса автомобилей для того, чтобы обеспечить

требуемую

прокаливаемость сердцевины

зуба

и минимальную деформацию при за-

калке,

изготовляют из легированных сталей, закаливающихся в масле.

Ведущие и ведомые цилиндрические и конические шестерни редукторов

главной передачи грузовых автомобилей ЗИЛ изготовляют из экономно

легированных сталей

18ХГТ,

25ХГТ,

ЗОХГТ, автомобилей ВАЗ - из сталей

20ХГНМ и 19ХГН, а автомобилей ГАЗ из сталей 20ХГР и 20ХНМ (табл.

14).

В последнее время для изготовления

зубчатых

колес заднего моста ав-

томобиля применяют сталь 25ХГНМАЮ. Долговечность

зубчатых

колес

из

этой стали на 30% выше, чем долговечность серийных шестерен из ста-

ли 20ХГНМ. Это объясняется очень мелким зерном в сердцевине (балл 12)

в слое (балл 13

—

14).

Зубчатые колеса указанных типов автомобилей ЗИЛ и ГАЗ для упроч-

нения

подвергают цементации или нитроцементации (см. табл. 14). Стали

должны быть наследственно мелкозернистыми, что позволяет производить

закалку

зубчатых

колес после цементации и подстуживания непосредствен-

но

из цементационной (нитроцементационной) печи. Применение этой тех-

нологии закалки уменьшает деформацию, что важно именно для автомо-

бильных

зубчатых

колес, поскольку они не подвергаются зубошлифова-

нию.

В автостроении наиболее нагруженные шестерни большегрузных авто-

мобилей изготовляют из сталей 12ХНЗА (автомобиль МАЗ), 15ХГН2ТА

15Х2ГНТРА (ЯМЗ) или 2ОХГН2ТА и 15ХГН2ТА (КрАЗ).

Для нагруженных шестерен толщина упрочненного (цементованного)

слоя в большинстве случаев принимается равной 0,15 от полной толщины

282

Таблица

Стали

типовые режимы окончательной термической

химико-термической

обработки, рекомендуемые

для

изготовления

зубчатых

колес

Наименование

детали

Зубчатые колеса:

коробки

передач

легкового автомо-

биля

коробки

передач

грузового автомо-

биля средней гру-

зоподъемности

заднего моста гру-

зового автомобиля

быстроходных ди-

зелей

Особонапряженные

цилиндрические ко-

леса станков

Высоконапряженные

цилиндрические и ко-

нические колеса стан-

ков

Средненапряженные

переключаемые ко-

леса станков

Малонапряженные

колеса станков

Средненапряженные

непереключаемые

колеса станков

Марка

стали

40Х

25ХГТ,

25ХГМ

20ХГНМ,

ЗОХГТ

12ХНЗА

18Х2Н4ВА

12ХНЗА

20ХНМ

25Х2ГНТА

18ХГТ

40Х

50ХН

40ХФА

Термическая обработка

Нитроцементация 830*С,

непосредственная закалка

(масло),

отпуск

200°С

Нитроцементация

850°С,

непосредственная ступенча-

тая закалка (горячее масло

180°С),

отпуск

180°С

Газовая цементация, непо-

средственная закалка в мас-

ле, после подстуживания до

850°С,

отпуск

200°С

Цементация 9СКГС, закалка

800°С

(масло), отпуск

170°С

Цементация

900°С,

отпуск

650°С

(двукратный), закалка

8 30°

(воздух), отпуск 180° С

Газовая цементация

930°С,

отпуск

650°С,

закалка

800°С

(масло),

отпуск

180°С

Газовая цементация

930°С,

отпуск

620°С,

закалка 83О°С,

отпуск

190°С

Газовая цементация

930°С,

отпуск 660 С, закалка

810°С,

отпуск

180°С

Газовая цементация

930°С,

непосредственная закалка в

масле после подстуживания

до

830°С,

отпуск 190'С

Закалка

840"С, отпуск

550°С,

закалка по контуру

зубьев при индукционном

нагреве под водой, отпуск

П°Г

Z1U \*

Закалка

830°С

(масло), от-

пуск 180-22СС

Закалка

890°С;

отпуск

650°С,

основная механиче-

ская

обработка, отпуск

57О°С, азотирование

510°С

Твердость,

сердце-

вины

НВ

187-241

35-45

26-40

35-43

30-40

25-28

48-54

НВ

248-277

HRC

по-

верх-

ности

48-53

52-62

58-64

56-59

56-60

48-52

48-54

НУ

610-

700

Толщина

упрочнен-

ного

слоя,

мм

0,15-

0,2 т

0,5-

0,7

1.0-

1,5

0,8-

1,1

0,6-

0,9

О,25ш

0,2-

0,26»!

0,2-

0,26/11

0,2-

О,25ш

0^5ш

0,12т

зуба по начальной окружности или

0,18—0,27

т (т — модуль колеса),

а глубина нитроцементованного слоя 0,19

—

0,2 т. Для обеспечения высо-

кой

контактной выносливости и износостойкости твердость поверхности

должна быть не ниже HRC 59. Такая твердость соответствует высокоугле-

родистому мартенситу (0,8

—

1,15% С). При снижении допускаемых кон-

тактных напряжений на 15% величина поверхностной твердости может

быть снижена с HRC 60 до HRC 54.

Твердость на поверхности зуба во избежание его хрупкого разрушения

не

должна превышать HRC 63, а в сердцевине HRC 30-42. С повышением

твердости сердцевины, например при увеличении содержания углерода

стали, возрастают предел прочности и предел выносливости при изгибе

контактная выносливость зубчатых колес. При понижении содержания

283

углерода

(менее 0,15% С) в стали снижается предел текучести сердцевины,

что приводит к развитию в ней пластической деформации, которая может

вызвать разрушение упрочненного слоя. Излишнее повышение твердости

сердцевины (более HRC 42 — 45) снижает предел выносливости зубьев ше-

стерен при изгибе и увеличивает опасность их хрупких разрушений.

Некоторые

шестерни заднего моста (например, коническая ведомая

ведущая шестерни редукторов заднего моста) изготовляют из стали

55ПП

(см. стр. 226) и упрочняют поверхностной закалкой при глубинном

нагреве (автомобили ГАЗ, ЗИЛ).

. В зависимости от модуля колеса т рекомендуется применять плавкие

стали 55ПП с критическим диаметром по прокаливаемое™ (в сердцевине

заготовки полумартенситная структура), равным

6,5—9,0

мм для ш =

3,5ч-5;

9—13 мм для ш = 4,5-=-7 и 13 мм и более для т ^ 6,5.

После

закалки твердость на поверхности

зуба

HRC 58 — 62, а в сердце-

вине

HRC

30—40.

Толщина упрочненного слоя 1,0 — 2,0 мм. Сталь 55ПП

после поверхностной закалки обладает высокой прочностью, в том числе

усталостной, а также достаточной вязкостью, поэтому она может быть

рекомендована для колес с т = 4,0 -е- 6 мм, для которых контактные напря-

жения

не очень велики. Применение стали 55ПП

дает

большой экономиче-

ский

эффект вследствие перехода от длигельных процессов химико-терми-

ческой

обработки к закалке при индукционном нагреве и замены

легированных сталей.

Стали и методы упрочнения

зубчатых

колес, применяемые в трактор-

ном

и сельскохозяйственном машиностроении, можно классифицировать

по

степени нагруженности этих деталей.

1. Мало- и средненагруженные зубчатые колеса (шестерни коробки

передач, шестерни ведущие и ведомые коробки передач, шестерни главной

передачи ведомые и др. для тракторов типа Т-40,

ДТ-54А,

Т-74, ТМЗ-50,

МТЗ-80 и др.) изготовляют из безникелевых

18ХГТ,

25ХГТ

и малонике-

левых сталей 20ХГНР, 20ХНР с упрочнением цементацией на глубину 1,2 -

1,8 мм или нитроцементацией на глубину 0,8— 1,2 мм. Твердость на поверх-

ности

HRC 56 — 65. Твердость сердцевины зубьев HRC 25 — 40. Если к этим

зубчатым колесам не предъявляется высоких требований по износостойко-

сти,

то тогда их изготовляют из сталей 40, 45, 40Х, 40ХС и упрочняют за-

калкой

с высоким отпуском и последующей поверхностной закалкой при

индукционном

нагреве на глубину

1,5—2,5

мм и HRG 54. Возможно приме-

нение

стали 20Х с последующей цементацией, закалкой и отпуском.

2. Тяжелонагруженные зубчатые колеса изготовляют из малоникелевых

цементуемых (нитроцементуемых) сталей 20ХГНР, 20ХНР и хромоникеле-

вой

20ХНЗА. При этом толщина упрочненного слоя и нормы его твердо-

сти остаются такими же, как и для 1-й группы. Однако твердость сердце-

вины

несколько выше — HRC 30-45. Из этих сталей изготовляют

большинство шестерен трактора Т-74,

Т-180,

Т-100М, Т-130 и др.

В станкостроении выбор стали и упрочняющей обработки

зубчатых

ко-

лес также проводится исходя из их нагруженности. Об этом критерии

станкостроении

судят

по расчетной величине номинального напряжения

изгиба у основания

зуба

(о"

1. Мало- и средненагруженные зубчатые колеса (ст

<15 кгс/мм

284

ст

> 10 — 25 кгс/мм

соответствешю) изготовляют из сталей 20Х и

18ХГТ

упрочняют цементацией. Для упрочнения средненагруженных

зубчатых

колес,

чаще не переключаемых на

ходу,

также применяют контурную по-

верхностную закалку при индукционном нагреве. Этот метод упрочнения

часто используют для шестерен малых и средних размеров, работающих

колесами, подвергнутыми упрочнению, ввиду хорошей их взаимной при-

рабатываемости. Обычно колеса для поверхностной закалки изготовляют

из

стали 40Х и закаливают на глубину 0,2 — 0,25 т, но не более 1,4 — 1,8 мм.

Закалка

венца

зубчатых

колес (d ^ 300 мм и т = 1,0 ч- 3,0) проводится на-

сквозь

и при том

глубже

их впадины на 1,5 — 3,0 мм.

Для обеспечения высокой износостойкости и прочности твердость на

поверхности должна быть на уровне HRC 48 — 52. При этом закалка дол-

жна быть контурной без перерыва этого упрочненного слоя.

2. Высоконагруженные цилиндрические и конические колеса (а,, =

20ч- 35 кгс/мм

) диаметром свыше 300 мм (га = 1,5 -4- 4,0) изготовляют из

легированных цементуемых сталей 20Х и

18ХГТ,

а колеса диаметром до

600 мм (т = 4 ч-10) из хромоникельмолибденовой глубоко прокаливающей-

ся

стали 20ХНМ. Эти колеса упрочняют цементацией. Если используется

процесс

нитроцементации, то для изготовления колес диаметром до 600

мм применяют сталь

25ХГТ,

имеющую более высокую твердость сердце-

вины,

чем сталь

18ХГТ

(табл. 14), и достаточную прокаливаемость.

3. Особо высоконагруженные (а„ =30-4-45 кгс/мм

) цилиндрические ко-

леса (d > 600 мм и т = 1,5 ч- 6), подвергаемые значительным динамическим

импульсным нагрузкам, изготовляют из стали 12ХНЗА, а конические

(ш

= 6 ч-10) из стали

25Х2ГНТА.

Долговечность и безотказность работы

этих колес достигается цементацией или нитроцементацией зубьев по кон-

гуру

(см. табл. 14).

Цементация

(нитроцементация) с последующей термической обработ-

кой

(закалка и отпуск) обеспечивает большие твердость и несущую способ-

ность

поверхностных слоев зубьев и высокую прочность зубьев на изгиб,

чем поверхностная закалка. После шлифования или шевингования проч-

ность

цементованных зубьев на изгиб возрастает в 3 раза. Однако шлифо-

вание

(при значительных прижогах) может снизить этот эффект в 1,5 — 2

раза. Твердость шестерен косозубых и шевронных передач должна быть

наиболее высокой, что обеспечивает хорошую контактную прочность.

Твердость шестерен прямозубых передач должна быть выше, чем колес,

что уменьшает возможность заедания и сближает долговечность шестерен

колес.

Во всех случаях толщина цементованного слоя устанавливается равной

0,2 — 0,26 /?1, но не более 1,8 мм, а нитроцементованного — 0,15 — 0,2 т, но не

более 1,0 мм.

Твердость у основания

зуба

после цементации (нитроцементации), где

действуют нормальные напряжения от внешней нагрузки и концентратора

напряжений,

должна быть в сердцевине HRC 30 — 40, а на поверхности

HRC

56-60.

Для уменьшения деформации

зубчатых

колес применяют мелкозер-

нистые стали (балл 5 — 8) с регламентированной прокаливаемостью, под-

вергаемые последующей газовой цементации в атмосфере с регулируемым

углеродным потенциалом и, где это возможно, закалке с цементационного

285

нагрева с предварительным подстуживанием. Нитроцементация обеспечи-

вает

меньшую деформацию, чем цементация при термической обработке.

Помимо

цементации и нитроцементации для упрочнения

зубчатых

ко-

лес применяют азотирование. Однако его

следует

применять для

зубчатых

колес,

не переключаемых на

ходу.

Азотирование (см. табл. 14) применяют для мало- и средненагруженных

колес сложной конфигурации, например, с внутренними зубьями и др.,

шлифование которых

трудно

осуществить. В этом

случае

зубчатые

колеса

изготовляют из стали 40Х (конические) или

40ХФА

(цилиндрические). По-

сле азотирования на

глубину

0,1—0,13

т (но не более 0,6 мм), в

результате

которого обеспечивается минимальная деформация, проводится только

притирка или хонингование зубьев. Азотированные колеса при большем

числе циклов нагружении не

уступают

по контактной прочности (сопротив-

лению выкрашиванию) цементированным (нитроцементированным), но

вследствие малой толщины слоя для них должна быть меньше величина

контактной

нагрузки.

Для повышения усталостной прочности на изгиб и долговечности зубья

высоконагруженных колес после цементации (нитроцементации) или сквоз-

ной

закалки при индукционном нагреве подвергают поверхностному

упрочнению дробеструйным наклепом или обкаткой роликами (последнее

при

т > 4 и HRC 40).

Независимо от принятого метода упрочнения поковки (штамповки)

перед механической обработкой проходят отжиг или нормализацию с вы-

соким

отпуском. Для колес высокой точности после механической обра-

ботки для снижения напряжений иногда проводят высокий отпуск

(600°С).

После окончательной механической обработки для снижения шлифо-

вочных напряжений цементованные колеса подвергают низкому отпуску

при

160°С

в течение 2-2,5 ч.

Трубчатые

детали (гильзы, втулки и т. д.). Эти детали должны обладать

высокой износостойкостью, стабильностью конфигурации и размеров во

времени. Чаще их изготовляют из сталей

40ХФА,

ЗОХЗВА,

38Х2МЮА

подвергают азотированию. Азотирование обеспечивает высокую износо-

стойкость и малые деформации. Может быть применена для упрочнения и

цементация.

При толщине стенки 14-18 мм применяют сталь 20Х, при

40-45

мм-

18ХГТ

и при

70-75

мм-

12ХНЗА.

Детали этой группы

могут

деформироваться в процессе механической

термической обработки. Чтобы уменьшить деформацию после механиче-

ской

обработки, обычно производится стабилизирующий отпуск.

Нормали.

Для изготовления нормалей (болты, винты, гайки, шпильки

др.) чаще всего применяют

улучшаемые

углеродистые

и легированные

стали.

Как

показали исследования, разрушение этих деталей при эксплуатации

происходит в случае: 1) ослабления соединения и вязкого разрушения из-

за недостаточного запаса прочности в

случае

применения деталей без тер-

мической обработки или при недостаточной твердости термически обрабо-

танных деталей; 2) хрупкого разрушения из-за высокой твердости, наличия

поверхностного наклепа после холодной высадки, не снятого рекристаллп-

зационным

отжигом, или присутствия в исходной

структуре

стали струк-

турно-свободного цементита.

286

Исследование

причин хрупкого разрушения деталей позволило устано-

вить оптимальный интервал твердости для деталей крепежа, изготов-

ленных из сталей 40, 40Х и 30ХГС. Показано, что наиболее высоким значе-

ниям

хрупкой прочности отвечает твердость HRC 30-35.

Болты,

шпильки и

другие

детали крепежа, не испытывающие в работе

высоких напряжений, можно изготовлять из сталей 40, 40Х, ЗОХГС и под-

вергать нормализации на твердость HRC 25 — 30. Детали, испытывающие

высокие

и сложные напряжения, надо изготовлять из сталей 40Х, 40ХН

или

40ХНМА и подвергать улучшению или нормализации на твердость

HRC 30-35.

Если

детали получают холодной высадкой, необходимо проводить нор-

мализацию при температуре

880-900°С

с целью снятия наклепа и раство-

рения

структурно-свободного цементита.

9. РЕССОРНО-ПРУЖИННЫЕ СТАЛИ ОБЩЕГО НАЗНАЧЕНИЯ

Рессорно-пружинные

стали общего назначения должны обладать высоким

сопротивлением малым пластическим деформациям и пределом выносли-

вости при достаточных пластичности и сопротивлении хрупкому разруше-

нию;

иметь повышенную релаксационную стойкость.

Для получения этих свойств стали должны содержать С ^ 0,5% и быть

подвергнуты закалке и отпуску при 400

—52О°С

(табл. 15). Для углеро-

дистых пружинных сталей после термической обработки обычно а

^ 80

кгс/мм

и для легированных сталей — ст

0 2

^ 100 кгс/мм

(табл. 15).

Стали должны обладать хорошей закаливаемостью и прокаливае-

мостью. После закалки мартенситная структура должна быть по всему

объему. Присутствие после закалки продуктов эвтектоидного пли проме-

жуточного превращения, феррита, перлита, а также отстаточного аустени-

та

ухудшает

все пружинные свойства. Чем мельче зерно, тем выше сопро-

тивление стали малым пластическим деформациям. Наличие обезуглеро-

женного слоя на готовых пружинах резко снижает пределы упругости

выносливости.

Для пружин малого сечения, закаливаемых в масле и испытывающих

невысокие

напряжения, применяют углеродистые стали 65, 70 75, 85. В слу-

чае больших сечений (d = 5 -f- 8 мм) закалку углеродистых сталей произво-

дят в воде.

Более

часто для изготовления пружин и рессор используют легиро-

ванные

стали, содержащие

1,5-2,8%

Si,

0,6-1,2%

Мп,

0,2-1,2%

Сг;

0,1-0,25%

0,8-1,2%

W и

1,4-1,7%

Ж Эти элементы обеспечивают не-

обходимую прокаливаемость и закаливаемость, измельчают зерно и повы-

шают релаксационную стойкость сталей.

Путем легирования можно повысить температуру отпуска (выше интер-

вала развития необратимой отпускной хрупкости), что позволяет наряду

высоким сопротивлением малым пластическим деформациям получить

хорошие пластичность и вязкость.

В промышленности наиболее часто применяют кремнистые стали 55С2,

60С2А,

70СЗА. Вследствие того, что кремний повышает прокаливаемость,

задерживает распад мартенсита при отпуске и значительно упрочняет фер-

рит, кремнистые стали (50С2, 55С2 и 60С2) имеют высокие пределы текуче-

287

Таблица

Режимы

термической обработки и механические свойства пружинных сталей

Марка

стали

50С2

55С2А

70СЗА

60С2ХФА

60С2ВА

60С2Н2А

Температура,

°С

закалки

840

820

870

860

850

880

отпуска

480

460

410

420

Механические

свойства

(пс

менее)

°0,2 о»

кгс/мм-

100

ПО

140

160

170

160

ПО

115

120

160

180

190

175

о/

/а

сти и упругости, что обеспечивает хорошие свойства. Кремнистые стали

применяют

для изготовления пружин вагонов, многих автомобильных рес-

сор,

в станкостроении, для торсионных валов и др. Однако кремнистые

стали склонны к обезуглероживанию, образованию поверхностных дефек-

тов при горячей обработке и графитообразованию, что снижает предел вы-

носливости.

Дополнительное легирование кремнистых сталей Сг, Мп,

W, Ni увеличивает их прокаливаемость и уменьшает склонность к обез-

углероживанию, графитизации и росту зерна при нагреве.

Стали

60С2ХФА

65С2ВА,

имеющие высокую прокаливаемость, хоро-

шую прочность (см. табл. 15) и релаксационную стойкость, применяют для

крупных высоконагруженных пружин и рессор. Когда

упругие

элементы

работают в условиях сильных динамических нагрузок, применяют сталь

никелем

60С2Н2А.

Для изготовления автомобильных рессор широко применяют сталь

50ХГА,

которая по технологическим свойствам превосходит кремнистые

стали. Для клапанных пружин рекомендуется сталь

50ХФА,

не склонная

перегреву и обезуглероживанию. Однако эта сталь имеет

малую

прока-

ливаемость и может применяться только для пружин с сечением проволо-

ки,

равным или менее 5 — 6 мм. Для увеличения прокаливаемости сталь ле-

гируют

марганцем (50ХГФА), который снижает

ударную

вязкость.

Оптимальная

твердость рессор для получения максимального предела вы-

носливости

HRC

42—48;

при более высокой твердости предел выносливо-

сти снижается. Предел выносливости стали, а следовательно, и долговеч-

ность

рессор и пружин резко снижаются при наличии на поверхности

различных дефектов (забоин, рисок, царапин и т. д.), играющих роль кон-

центраторов напряжений.

Срок

службы

рессор может быть повышен гидроабразивной и дробе-

струйной обработкой (поверхностным наклепом), создающей в поверх-

ностных слоях остаточные напряжения сжатия, понижающие рабочие на-

пряжения

растяжения в наружных волокнах. После дробеструйной

обработки предел выносливости повышается в 1,5—2 раза.

Нередко

пружины изготовляют из патентированной холоднотянутой

проволоки

и холоднотянутой ленты из высокоуглеродистых сталей 65, 65Г,

70, У8, У10. Высокие механические свойства проволоки достигаются патен-

тированием

и последующей протяжкой при степени деформации не менее

70%. Предел прочности проволоки после 95%-ной деформации (диаметр

288

проволоки

1,4 мм) достигает. 260 кгс/мм

. Пружины после холодной навив-

ки

подвергают отпуску при

210-320°С

для снятия напряжений, повышения

предела упругости и релаксационной стойкости. Более часто применяется

сталь, поступающая в виде проволоки диаметром от 6,0 до 0,15 мм

имеющая, предел прочности

136—220

кгс/мм

. Нагартованная лента

имеет предел прочности 75 — 120 кгс/мм

10.

ШАРИКОПОДШИПНИКОВЫЕ

СТАЛИ

Подшипники

качения работают в условиях качения шариков (или роликов)

по

наружному и внутреннему кольцам. Наиболее часто причиной отказа

подшипников

является излом, разрушение тел качения и рабочих поверх-

ностей

колец, а также усталостное выкрашивание рабочих поверхностей

элементов подшипника.

Для изготовления тел качения и подшипниковых колец небольших сече-

ний

обычно используют высокоуглеродистую хромистую сталь ШХ15

(0,95 — 1,05% С и 1,3 — 1,65% Сг), а больших сечений — хромомарганцево-

кремнистую сталь ШХ15СГ (0,95-1,05%С,

0,9-1,2%

Мп,

0,4-0,65%

1,3 — 1,65% Сг), прокаливающуюся на большую глубину. Стали обладают

высокой

твердостью, износостойкостью и сопротивлением контактной

усталости. К сталям предъявляют высокие требования по содержанию не-

металлических включений, так как они вызывают преждевременное

уста-

лостное разрушение. Недопустима так же карбидная неоднородность.

Электрошлаковый

и вакуумно-дуговой переплав, уменьшая количество

неметаллических включений (сульфидов, оксидов и др.), повышают долго-

вечность подшипников

. Стали изготовляют в виде прутков,

труб

и прово-

локи.

Для горячей штамповки стали поставляются без отжига, для холод-

ной

механической обработки - в отожженном состоянии. После отжига

стали получают однородную

структуру

мелкозернистого перлита с мелки-

ми

включениями вторичных карбидов. Такая структура обеспечивает удо-

влетворительную обрабатываемость резанием

(К„=0,55

для стали Р18)

достаточную пластичность при холодной штамповке шариков и роли-

ков;

твердость после отжига НВ

179—207.

Кольца, шарики и ролики про-

ходят

закалку в масле

(30-60°С)

840-860°С

и отпуск при 150— 170

С.

Перед отпуском для уменьшения количества остаточного аустенита детали

подшипника

охлаждаются до температуры не выше

20-25°С.

Это повы-

шает стабильность их размеров. Для подшипников, которые должны

иметь особо высокую стабильность размеров, иногда применяют обработ-

ку холодом при -70-=--80°С.

Для получения оптимального сочетания прочности и контактной вы-

носливости

кольца и ролики подшипников должны иметь после закалки

отпуска твердость HRC

61—65

для стали ШХ15 и HRC

60-64

для стали

ШХ15СГ, а шарики-ЯКС

62-66.

Для изготовления деталей подшипников качения, работающих при

высоких динамических нагрузках, применяют цементуемые стали:

20Х2Н4А

18ХГТ.

После газовой цементации на глубину 1,2 - 3,5 мм, высокого

отпуска, закалки и отпуска при

160—170°С

детали подшипника из

Если применен электрошлаковый переплав, к марке стали добавляется буква Ш, а ва-

куумно-дуговой переплав буквы ВД, например ШХ15Ш, ШХ15ВД.

10 Ю. М. Лахтнн и др.

289

стали

20Х2Н4А

имеют на поверхности HRC

58-62

и в сердцевине

HRC 35-45.

Детали подшипника качения из стали

18ХГТ

подвергают цементации

или

цианированию на глубину

0,9—1,8

мм. После закалки и низкого от-

пуска они имеют HRC 61 — 65.

В последние годы разработан и внедрен в массовое производство про-

цесс объемно-поверхностной закалки колец тяжелонагруженных роли-

ковых подшипников для букс железнодорожных вагонов. Для изготовле-

ния

этих деталей применяют высокоуглеродистую сталь ШХ4 (0,95 — 1,05%

С,

0,15-0,3%

Si;

0,15-0,3%

Мп;

0,35-0,5%

Сг) с регламентированной про-

каливаемостью, имеющую перед закалкой

структуру

зернистого перлита.

Закаливаемые кольца нагревают в специальном автоматическом станке

индукционным

способом насквозь, после чего осуществляют короткую

изотермическую выдержку при

85О°С.

Закалка выполняется в закалочной

камере,

где поверхности кольца с большой скоростью омываются потоком

воды. Затем

следует

низкий

отпуск

(160°С,

4 ч). После такой термической

обработки (вследствие ограниченной прокаливаемости стали ШХ4) на

кольцах толщиной 14 мм образуется закаленный слой со структурой мар-

тенсита толщиной 2,5 — 3,5 мм с твердостью HRC 60 — 63, а сердцевина по-

лучает

структуру

троостита и сорбита закалки с твердостью HRC 35 — 40.

Кольца

роликовых подшипников, обработанные таким способом, имеют

высокие

показатели конструктивной прочности.

Кольца

и тела качения подшипников, работающих в агрессивных сре-

дах (морской воде, азотной кислоте и т. д.), изготовляют из стали

95X18

(0,9-1,0% С и

17-19%

Сг).

11.

ИЗНОСОСТОЙКАЯ (АУСТЕНИТНАЯ) СТАЛЬ

Для деталей, работающих на износ в условиях абразивного трения и высо-

ких давлений и ударов (например, для траков некоторых гусеничных ма-

шин,

щек дробилок, черпаков землечерпательных машин, крестовин желез-

нодорожных и трамвайных путей и т. д.), применяют высокомарганцевую

литую аустенитную сталь

ПОПЗЛ,

содержащую

0,9—1,3%

С и 11,5 — 14,5%.

Мп.

Структура этой стали после литья состоит из аустенита и избыточных

карбидов (Fe*

Mn)

выделяющихся по границам зерен, что снижает проч-

ность

и вязкость стали. В связи с этим литые изделия закаливают с нагре-

вом до

1100°С

и охлаждением в воде. При таком нагреве растворяются

карбиды,

и сталь после закалки приобретает более устойчивую аустенит-

ную

структуру.

Она обладает следующими механическими свойствами:

= 80 - 90кгс/мм

, а

= 31 н- 35кгс/мм

,5 = 25 -^ 15%; \|/ = 30 -н 20%, НВ

180 — 220. Сталь с аустенитной структурой характеризуется низким пре-

делом текучести, составляющим примерно одну треть от предела прочно-

сти и сильно упрочняется под действием холодной деформации. Если экс-

плуатация детали протекает в условиях значительных давлений и ударных

нагрузок, то твердость стали повышается в результате наклепа, что увели-

чивает сопротивление износу. По этой причине сталь ПОПЗЛ плохо обра-

батывается резанием. Если же во время работы сталь испытывает только

абразивный

износ и

отсутствуют

значительные давления, вызывающие на-

клеп,

то повышения износостойкости не наблюдается.

290