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 930-950^оС; время цементации зависит от глубины цементованного слоя (скорость цементации 0,1мм/ч). Нитроцементация проводится при температуре 820-860^оС 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 –80^оС.

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 (500-650^оС) 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 D_кр³0,25D_детали; для деталей, работающих на растяжение, требуется однородность свойств по всему сечению, что обеспечивает сквозная прокаливаемость D_кр=D_детали.

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 480-520^оС. Выдержка определяется глубиной слоя, скорость азотирования 0,01мм/ч, охлаждение с печью до 100-150^оС. 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