Свойства коррозионностойких сталей

Структурный класс	Марка стали	Термическая обработка	Механические свойства	K_v	Индекс стоим.
σ_в	σ_0,2	δ
Мпа	%
Аустенитный	12Х18Н10Т	закалка 1050-1100^оС в воду				0,85
12Х17Г9АН4	закалка 1150^оС в воду

Детали группы 16. Горный инструмент оснащается пластинками спеченных твердых сплавов вольфрамовой группы. Сплавы вольфрамовой группы имеют наибольшую прочность, но более низкую твердость, теплостойки до 800^оС. Чем больше в сплаве кобальта (соответствует цифре), тем выше вязкость сплава. Выбор марки сплава определяется условиями работы инструмента.

Для резцов врубовых машин и угольных комбайнов применяют сплавы марки ВК-8, для буровых коронок ВК-11, ВК-15, для шарошечных долот ВК-4, ВК-6, ВК-8, ВК-11, ВК-15. Индекс стоимости сплавов вольфрамовой группы ориентировочно 170.

Таблица 17

Свойства твердых сплавов

Марка сплава	ВК-4	ВК-6	ВК-8	ВК-11	ВК-15
σ_изг, МПа
твердость HRA	89,5	88,5	87,5

Детали группы 17. Основными группами хладостойких материалов являются низкоуглеродистые, низколегированные и легированные никелевые и марганцевые стали, алюминиевые, титановые, медные сплавы и многие пластмассы. Наиболее дешевыми и хорошо сваривающимися являются низкоуглеродистые и низколегированные стали.

Использование низколегированных сталей более рационально, так как ввиду большей прочности позволяет сэкономить от 15 до 30% металла.

Марки некоторых сталей, которые рационально применять для сварных конструкций, работающих в климатических условиях Севера (температура надежной работы стали –50^оС), приведены в табл.9. Индекс стоимости этих сталей 1,0-1,6.

Таблица 9

Основные свойства и области применения

В горном машиностроении низколегированных сталей

Марка стали	Механические свойства	Применение
σ_в	σ_0,2	δ
МПа	%
10Г2С1			Основания и перекрытия крепей
10ХСНД			Стрелы, рамы экскаваторов типа ЭКГ-5А
15ХСНД			Желоба и барабаны скребковых конвейеров
16Г2АФ			Рамы экскаваторов
17ГС			Магистральные сварные газопроводы

Детали группы 18. Необходимыми свойствами обладают медные сплавы. В плунжерах гидроцилиндров, плунжерных парах насосов горного машиностроения применяют деформируемую латунь Л62 и литейную ЛЦ40С; при изготовлении блоков и поршней гидроцилиндров литейные бронзы БрОФ10-1 и БрОСН10-2-3. Общая характеристика медных антифрикционных сплавов дана в описании материалов для деталей группы 7.

Свойства указанных латуней и бронз приведены в табл.10. Индекс стоимости латуней ≈ 6,оловянных бронз ≈ 20.

Таблица 10

Свойства медных сплавов

Марка сплава	σ_в	σ_0,2	НВ	δ	KCU
МПа	%	МДж/м²
Л62					1,4
ЛЦ40С1					0,3
БрОФ10-1					0,09
БрОСН10-2-3					0,1

Детали группы 19 работают в среде горячих выхлопных или топочных газов; основной характеристикой является жаростойкость, в некоторых случаях жаропрочность.

Для входных клапанов двигателей внутреннего сгорания, не требующих высокой жаростойкости, применяют низколегированные стали 40Х, 40ХН и др. (см. табл. 4).

Для выхлопных клапанов и деталей металлургических печей необходимы стали с повышенной жаростойкостью; используют сильхромы 40Х9С2, 40Х10С2М и др. Оптимальные свойства сильхромы имеют после обработки на сорбит. Сталь 40Х10С2М закаливают после нагрева до 1030^оС в масло и отпускают при 720-780^оС. Сталь применяют в среде с максимальной рабочей температурой 650^оС. Жаропрочные свойства стали 40Х10С2М: предел длительной прочности б = 100 Мпа, предел ползучести б = 40 Мпа.

При более сложных условиях эксплуатации клапаны мощных двигателей изготовляют из аустенитных жаропрочных сталей, например, из стали 45Х14Н14В2М. Сталь подвергают закалке с 1100-1150^оС и старят при 700-750^оС в течение 15-25 ч; используют с максимальной рабочей температурой среды 650^оС. Жаропрочные свойства стали: б = 130 Мпа, б = 40 Мпа.

Индекс стоимости сильхромов 40Х9С2, 40Х10С2М –2,0-3,5; аустенитной стали 40Х14Н14В2М – 10,5. Обрабатываемость резанием сильхромов K_v=0,7; аустенитных сталей K_v=0,2.

Детали группы 20. Детали кузова автомашины и различные тонкостенные детали сложного профиля штампуют. Способность сталей к вытяжке при холодной штамповке определяется содержанием углерода.

Для глубокой и сложной вытяжки используют малопрочные (б_в=280-330 Мпа), высокопластичные (δ=33-45%) стали 05, 08, 10 всех видов раскисления. Их поставляют в виде тонкого холоднокатаного листа, подвергнутого рекристаллизационному отжигу при 650-690^оС. Широко применяют кипящие стали 05кп, 08кп, 10кп; детали кузова автомашины штампуют из стали 08кп. Кипящая сталь из-за повышенной газонасыщенности склонна к деформационному старению. В связи с этим для холодной штамповки используют стали микролегированную ванадием 08Фкп или алюминием 08Юкп.

Многие детали изготовляемые из листа гибкой, штамповкой, вырубкой на последующих операциях подвергаются сварке. Приведенные стали обладают высокой свариваемостью, но свариваемость кипящих сталей ниже, чем спокойных и полуспокойных. Индекс стоимости сталей 1,0-1,2.

Снарядные гильзы штампуют из латуни Л68.

Для изделий, получаемых глубокой вытяжкой и сваркой, от которых требуются высокая коррозионная стойкость или хладостойкость (сварные емкости для бензина, масла, кислот; корпуса судов, кузова автомашин, детали авиации) применяют деформируемые алюминиевые сплавы АМц, Амг2, Амг6, Д1, Д16 и титановые сплавы ВТ5, ВТ5-1. Недостаток алюминиевых и титановых сплавов невысокая жесткость (модуль упругости Е).

Свойства сплава АМц: б_в=130 Мпа; б_0,2=50Мпа; б-₁=55 Мпа; δ=20%; НВ300; сплава Амг2: б_в=190 Мпа; б_0,2=100 Мпа; б-₁=125 Мпа; δ=23%; НВ450.

Индекс стоимости алюминиевых сплавов 7-15; титановых 57.

ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ ВЫБОРА МАТЕРИАЛА

ДЛЯ ЗАДАННОЙ ДЕТАЛИ

1. Определить к какой группе деталей по табл.1 относится заданная деталь.

2. По данным табл. 1 и знаниям, приобретенным на практике, провести анализ условий работы детали в изделии и указать какими основными свойствами должен обладать материал детали.

3. Используя приведенные сведения о материалах рекомендуемых для данной группы деталей, выбирают на основе всестороннего анализа, включая технологичность и стоимость, марку материала.

4. Назначить виды и режимы термической и химико-термической обработки. Определить основные параметры обработки: температуру t^оС нагрева, время нагрева τ_н, время выдержки τ_в, время охлаждения τ_о. При нагреве в электропечах τ_нрассчитывается для углеродистых сталей по формуле τ_н= 0,08с/^оt δ, для легированных - τ_н= 0,09с/^оt δ; где t - температура в ^оС, δ – условная толщина детали в мм. Время выдержки при температуре закалки, нормализации, отжига τ_в= 2,5 + 0,5 δ, мин; при отпуске:

t_отп< 300^оС	τ_в=120 + δ, мин
t_отп= 300-400^оС	τ_в=20 + δ, мин
t_отп= 500-650^оС	τ_в=10+ δ, мин

Время охлаждения τ_оопределяется скоростью охлаждения v. При охлаждении с печью v=120^о/час, соответственно τ_о=t/120, час. При охлаждении в других средах скорость охлаждения детали толщиной 10мм составляет: при охлаждении на воздухе v=1^о/с, в масле v=25^о/с, в воде v=150^о/с. Время охлаждения τ_о=t δ/v 10.

Длительность процесса цементации, нитроцементации τ=h/0,1; час; где h- толщина в мм; процесса азотирования τ=h/0,01; час.

5. Привести механические свойства и структуру материала.

ПРИМЕРЫ ВЫБОРА МАТЕРИАЛА

ДЛЯ ЗАДАННОЙ ДЕТАЛИ

Пример №1. Вал-шестерня подъемного механизма экскаватора Æ304 мм, m=16, z=19 рассчитана на [σ]_доп= 480 Мпа, твердость поверхности зуба HRC³55.

Данная вал-шестерня работает в условиях смазки узлов трения. В связи с запыленностью рабочей зоны возможно попадание абразивных частиц в смазку, что увеличивает интенсивность износа элементов передачи. Исходя из условий работы экскаватора возможны перегрузки, пиковые и динамические нагрузки.

В процессе работы вал-шестерня испытывает кручение, изгиб и осевые нагрузки, зубья работают на износ и изгиб в динамическом режиме. В целом от вала-шестерни требуется статическая и циклическая прочность, пластичность, вязкость, износостойкость; от зубьев, кроме перечисленных свойств, контактная выносливость. Экскаватор может работать в условиях Севера, что определяет требование хладостойкости.

Вал-шестерню следует отнести к гр. 1 или 2 табл. 1. При [σ]_доп= 480 Мпа материал должен иметь б_в, принимая [σ]_доп= б_в/2,4; б_в= 2,4*480 Мпа = 1152 Мпа. По рекомендациям табл. 2 и 4 после оптимальной термообработки б_в=1152 Мпа обеспечивают стали 18Х2Н4МА и 38ХН3МА; требуемую твердость поверхности зуба HRC³55 можно получить цементацией или нитроцементацией стали 18Х2Н4МА или азотированием стали 38ХН3МА.

По циклической прочности (по б_-1), прокаливаемости, хладостойкости, стоимости стали сопоставимы; но сталь 18Х2Н4МА обладает лучшей обрабатываемостью резанием (K_v=1,2).

При изготовлении вала-шестерни из цементуемой стали 18Х2Н4МА маршрут изготовления следующий: заготовка, черновая и получистовая механическая обработка, цементация, закалка, отпуск, завершающая обработка (шлифование) со снятием значительного припуска. Большой припуск на шлифование обусловлен значительной деформацией при цементации и термообработке. При изготовлении вала-шестерни из стали 38ХН3МА маршрут изготовления следующий: заготовка, улучшение (закалка и высокий отпуск), черновая и получистовая механическая обработка, азотирование и завершающая обработка (шлифование) со снятием незначительного припуска. При азотировании температура нагрева значительно ниже, чем при цементации, соответственно, меньше деформация. Кроме того, длительность процесса азотирования в 3-4 раза больше, чем цементации.

Ресурс службы зубчатой передачи в значительной степени определяется контактной выносливостью, цементованные зубья обладают большей контактной выносливостью, чем азотированные.

Таким образом, основное преимущество применения стали 38ХН3МА в меньшей трудоемкости зубошлифования, стали 18Х2Н4МА в большем ресурсе работы зубьев шестерни, а соответственно и всего механизма.

Полагая, что ресурс работы – это основная характеристика экскаватора целесообразно изготовить вал-шестерню из стали 18Х2Н4МА. Рекомендуемые режимы термической и химико-термической обработки стали 18Х2Н4МА приведены в табл. 3.

Применим газовую цементацию в среде метана или природного газа на глубину 2,0 мм. Принимаем глубину цементации 2,0 мм, учитывая толщину зуба (m=16) и припуск на шлифование зубьев. Температура цементации t = 940^оС; τ_н = 0,09*940*304 = =25718с=429 мин, выдержка при цементации τ_в=2,0/0,1=20час= 1200 мин, время охлаждения τ_о = 940*304/1^о/с *10 = 28576с = 476 мин.

Температура отпуска после цементации 650 ^оС; τ_н = 0,09*650*304 = 17784 c = 296 мин; τ_в= 10 + 304 = 314 мин; τ_о=650*304/1^о/с *10=19760с=329 мин. Температура закалки 800^оС; τ_н=0,09*800*304=21888с=365 мин; τ_в= 2,5 + 0,5*304=155 мин; τ_о=800*304/25^о/с *10=.973с=16 мин. Температура отпуска 200^оС; τ_н=0,09*200*304=5472с=91 мин; τ_в=120+304=424 мин; τ_о= 200 *304/1^о/с *10=6080с=101 мин. Полный цикл термической и химико-термической обработки показан на рис.1.

Свойства материала вала-шестерни (см. табл. 2): б_в=1150 Мпа; б_0,2=850Мпа; б-₁=460 Мпа; δ=12%; y=50%; твердость сердцевины 4200 HB, поверхности HRC 58-62. Структура цементованного слоя мартенсит и карбиды железа, хрома; структура от поверхности к сердцевине изменяется от мартенсита до сорбита.

^oC

τ, мин

Рис.1. Цикл термической и химико-термической обработки.

Пример №2. Корпус судна на воздушной подушке. Корпус судна следует отнести к деталям гр. 20 табл.1.

Условия работы: речная и морская вода, плюсовые температуры, статические и динамические нагрузки. Требуемые свойства: прочность, жесткость, коррозионная стойкость в речной и морской воде, хорошая штампуемость при холодной обработке давлением и свариваемость.

Для корпуса судна на воздушной подушке важный фактор – масса, соответственно материал должен иметь высокую удельную прочность и жесткость. Перечисленным требованиям в наибольшей степени удовлетворяют деформируемые титановые и алюминиевые сплавы. Но титановые сплавы значительно дороже и менее технологичны, чем алюминиевые. Алюминиевые деформируемые сплавы –это сплавы АМц, АМг и дуралюмин. Более прочны сплавы АМг и дуралюмин, но дуралюмин ограниченно сваривается и имеет высокие свойства после упрочнения – закалки и старения. Поэтому более рационально изготовить корпус судна из сплава Амг2. Сплав Амг2 термически неупрочняемый, т. е. используются в состоянии поставки – холоднокатаных листов. Свойства сплава Амг2: б_в=190 Мпа; б_0,2=100 Мпа; б-₁=125 Мпа; δ=23%; НВ 450. Структура сплава α-твердый раствор магния в алюминии.

ВАРИАНТЫ ЗАДАНИЙ

№1. 1. Шлицевой вал Æ100 мм рассчитан на [σ]_доп= 250 Мпа, твердость поверхности шлицев HRC³50.

2. Манжеты гидроцилиндров.

№2. 1. Вал Æ100 мм рассчитан на [σ]доп = 400 Мпа.

2. Подшипники скольжения дизеля, работающие при больших скоростях v»50м/с и давлениях p»15 Мпа.

№3. 1. Коленчатый вал с диаметром шеек 80 мм рассчитан на [σ]_доп= 220 Мпа, твердость шеек HRC³50.

2. Подшипники скольжения, работающие при скорости скольжения v»15м/с и давлении p»25 Мпа.

№4. 1. Ось Æ80 мм рассчитана на [σ]_доп= 250 Мпа.

2. Монолитный подшипник скольжения, работающий при скорости скольжения v»15м/с и давлении p»20 Мпа.

№5. 1. Шток Æ80 мм рассчитан на [σ]_доп= 250 Мпа.

2. Детали гидравлики шахты; твердость поверхности деталей HRC³55.

№6. 1. Шатун Æ100 мм рассчитан на [σ]_доп= 250 Мпа.

2. Зуб ковша экскаватора, работающего по рудной породе.

№7. 1. Шпиндель Æ60 мм рассчитан на [σ]_доп= 250 Мпа.

2. Пики отбойных молотков.

№8. 1. Звездочки цепных передач рассчитаны на [σ]_доп= 250 Мпа, твердость поверхности зуба HRC³50.

2. Конвейерные ленты.

№9. 1. Вал-шестерня Æ176 мм, m=8, z=22 рассчитана на [σ]_доп= 320 Мпа, твердость поверхности зуба HRC³50.

2. Цистерна для азотной кислоты.

№10. 1. Вал Æ40 мм рассчитан на [σ]_доп= 350 Мпа.

2. Рама экскаватора, работающего в условиях Севера, рассчитана на [σ]_доп= 350 Мпа.

№11. 1. Шестерня Æ88 мм, m=8, z=11 рассчитана на [σ]_доп= 320 Мпа, твердость поверхности зуба HRC³50.

2. Корпус аккумулятора электровоза.

№12. 1. Червяк Æ100 мм, m=9, рассчитан на [σ]_доп= 340 Мпа, твердость рабочих поверхности HRC³50.

2. Корпус пневмобура.

№13. 1. Червяк Æ60 мм, m=2, рассчитан на [σ]_доп= 400 Мпа, твердость рабочих поверхности HRC³50.

2. Корпус редуктора рассчитан на [σ]_доп= 75 Мпа,

№14. 1. Червячное колесо рассчитано на [σ]_доп= 120 Мпа, коэффициент трения со стальным червяком f£0,008.

2. Буровая коронка.

№15. 1. Червячное колесо рассчитано на [σ]_доп= 80 Мпа, коэффициент трения со стальным червяком f=0,008-0,016.

2. Резцы врубовых машин.

№16. 1. Шатунные болты Æ;40 мм рассчитаны на [σ]_доп= 450 Мпа.

2. Магистральный газопровод, работающий в условиях Севера, рассчитан на [σ]_доп= 200 Мпа.

№17. 1. Шатунные болты Æ70 мм рассчитаны на [σ]_доп= 450 Мпа.

2. Коренной лист рессоры толщиной 25 мм рассчитан на [σ]_доп= 500 Мпа.

№18. 1. Коренной лист рессоры толщиной 8 мм рассчитан на [σ]_доп= 400 Мпа.

2. Тормозные колодки экскаватора, работающего без смазки.

№19. 1. Витая пружина из проволоки Æ12 мм рассчитаны на [σ]_доп= 400 Мпа.

2. Диски сцепления автомашин.

№20. 1. Болты общего назначения массового производства рассчитаны на [σ]_доп= 400 Мпа.

2. Крупный вырубной штамп сложной формы.

№21. 1. Болты общего назначения массового производства рассчитаны на [σ]_доп= 190 Мпа.

2.Молотовый штамп для горячей штамповки.

№22. 1. Шпильки общего назначения массового производства рассчитаны на [σ]_доп= 160 Мпа.

2. Прессформа литья под давлением алюминиевых сплавов.

№23. 1. Рессорные пальцы массового производства рассчитаны на [σ]_доп= 500 Мпа с твердостью поверхности 40 HRC.

2. Блоки и поршни гидроцилиндров горных машин.

№24. 1. Зубчатое колесо Æ80 мм, m=1, z=80 рассчитано на [σ]_доп= 400 Мпа, твердость поверхности зуба HRC³45.

2. Вытяжной штамп для холодной штамповки.

№25. 1. Коническая зубчатая шестерня Æ304 мм, m=16, z=19 рассчитана на [σ]_доп= 400 Мпа, твердость поверхности зуба HRC³55.

2. Кузов автомашин.