Выбор марки стали и обоснование режима термической обработки
Сталь является основным материалом для изготовления ответственных тяжелонагруженных изделий благодаря лучшему сочетанию прочности, надежности и долговечности. Кроме того стали сравнительно недороги и имеют хорошие технологические свойства.
При выборе материала для деталей в основном следует руководствоваться требованиями к твердости изделия после окончательной термической обработки, требованиями по глубине поверхностного упрочненного слоя, учитывая условие нагрузки.
В зависимости от окончательной требуемой твердости ответственные детали автомобиля можно разделить на пять групп:
1 группа – детали с твёрдостью НВ 270 – 440 (HRC 28 – 47), от которых требуется вязкость, средняя твёрдость и прочность. При таких значениях заданной твёрдости наиболее рационально применять конструкционные среднеуглеродистые легированные или углеродистые стали с 0,3 – 0,5% углерода и подвергать их закалке с последующим отпуском при различных температурах.
2 группа – детали с твёрдостью поверхности HRC 56 – 60, причем глубина слоя поверхностного упрочнения в пределах 3,0 – 5,0 мм.
В сердцевине таких изделий обычно твёрдость не превышает HB 302 (HRC 33) для обеспечения удовлетворительной вязкости изделия, от которой требуется высокая местная износостойкость и твёрдость поверхности. В этом случае рекомендуется применять углеродистые стали со средним содержанием углерода 0,3 – 0,5% и подвергать их поверхностной закалке после нагрева т.в.ч. и последующему низкому отпуску.
3 группа - детали с твёрдостью поверхности HRC 58 – 62, причем глубина слоя поверхностного упрочнения в пределах 0,5 – 2,0 мм. Такие изделия должны обладать максимальной твердостью и износостойкостью при сохранении высокой вязкости сердцевины с твёрдостью последней в пределах HRC 28 – 43. Эти детали рекомендуется подвергать газовой цементации при 930°С при использовании для наследственно-мелкозернистых малолегированных сталей типа 20Х, 18ХГТ, 25ХГТ. Изделие после цементации подвергаются непосредственной закалке с подстуживанием от 930° до 840 - 850°С без охлаждения до комнатной температуры и последующего нагрева для закалки.
После закалки с подстуживанием производится низкий отпуск.
Такая технология химико-термической обработки для условий массового производства является наиболее рациональной, ибо при закалке без повторного нагрева достигается значительное уменьшение деформации закаливаемых изделий.
В тех случаях, когда для цементируемых изделий применяются высоколегированные стали типа 12ХНЗА, 12Х2НЧ, 18Х2НЧМА, непосредственную закалку с подстуживанием после цементаций нельзя применять, ибо в цементируемом слое таких высоколегированных сталей при этом образуется много остаточного аустенита (40 - 70%). В результате этого твёрдость после закалки уменьшается до НRС 48 - 56 вместо требуемой НRС 58 - 62. В этом случае рекомендуется следующая схема обработки:
а) цементация при 930°С с непосредственной закалкой в масле;
б) высокий отпуск при 650°С - 2 часа, в результате которого из твёрдых растворов - мартенсита, а также остаточного аустенита выделяются дисперсные карбиты, обогащенные хромом, молибденом, марганцем. Вследствие этого легированность твёрдых растворов уменьшается, мартенситные точки повышаются и при последующей окончательной закалке образуется значительно меньше остаточного аустенита (20 - 30%);
в) окончательная закалка в масле с температуры 820°С до 30 - 50°С;
г) низкий отпуск 180 - 200°С.
Исходное содержание углерода в цементуемых сталях должно находиться в пределах 0,1 - 0,25%. Для ответственных деталей в этом случае не рекомендуется применять углеродистые стали, требующие закалки в воде (что увеличивает опасность получения закалочных трещин при объёмной закалке), а также обладающие невысокой прокаливаемостью сердцевины;
4 группа - детали с твердостью поверхности НRС 45 - 53 при глубине слоя 0,15 - 0,40 мм. Изделия этой группы подвергаются газовому цианированию в смеси углеродного газа и 5% аммиака или жидкостному при концентрации 25% NaCN в ванне при нагреве до 850 - 870°С.
После цианирования производится непосредственная закалка без промежуточного нагрева и низкий отпуск. В этом случае рекомендуется, также как и для деталей 3 группы, применять только среднелегированные стали, но содержание углеродов в них может быть повышено в связи с тем, что глубина слоя не превышает 0,40 мм. Для автомобильных деталей чаще всего используются стали с 0,20 - 0,45% углерода. Фактическая твёрдость слоя после нитроцементации и цианирования такая же (а иногда и выше), чем после цементации, в чем можно убедиться в результате испытания твёрдости по Винкерсу, при нагрузке - 10 кг. Однако в производственных условиях неудобно контролировать твёрдость по Винкерсу, и здесь чаще всего применяется испытание по Роквеллу, при этом нагрузка на алмазный наконечник равна 150 кг. При столь большой нагрузке нитроцементированный слой глубиной 0,15 - 0,40 мм продавливается и суммарные показатели прибора занижаются. Поэтому для указанных изделий твёрдость по техническим условиям зафиксирована в пределах НRС 45 – 53.
5 группа. Рессорные листы и крупные пружины независимой подвески обрабатываются для получения твёрдости НRС 45 - 48 или НRС 39-43 (НВ 363-415). В первом случае производится закалка и среднетемпературный отпуск; во втором - закалка и высокотемпературный отпуск. Ответственные пружины с диаметром проволоки менее 3 мм изготавливаются путём холодной навивки из проволоки, предварительно обработанной патентированием (изотермическая закалка в расплавленном свинце при температуре ванны 450°С на металлургическом заводе). В этом случае после навивки производится низкотемпературный отжиг для снятия напряжений при 250 - 350°С, часто условно называемый отпуском. Для долговечности работы пружин рекомендуется наклёп дробью, вызывающий сжимающие напряжения в поверхностных слоях и уменьшение чувствительности к поверхностным концентраторам напряжений.
Выше приведённые данные позволяют обосновать в общем виде выбор операций термической обработки детали автомобиля.
Как отмечалось выше, обоснование выбора стали и режим обработки непосредственно связано с требованиями, предъявленными к изделиям -твёрдостью, глубиной упрочнённого слоя и др.
Поэтому в ответе по пункту 1 задания следует обязательно обосновать выбранную схему процессов термообработки.
Рассмотрим некоторые примеры:
а) для поворотного кулачка автомобиля требуется твёрдость после окончательной термообработки НВ 268 - 293. Указанную твёрдость можно обеспечить только при улучшении (закалка плюс высокий отпуск). Поверхностное упрочнение путём химико-термической обработки или путём поверхностной закалки здесь не требуется, ибо отсутствуют требования к глубине упрочнённого слоя и заданная твёрдость ниже, чем при поверхностном упрочнении;
б) для шестерни требуется обеспечить поверхностную твёрдость НRС 59 - 63 при глубине слоя 1 мм. В этом случае необходима цементация с последующей закалкой и низким отпуском. Другие виды поверхностного упрочнения неприемлемы, ибо при поверхностной закалке глубина упрочнённого слоя находится в пределах 2 - 5 мм, что больше заданной, а азотирование и среднетемпературная нитроцементация обеспечивают глубину слоя 0,1 - 0,4 мм, что меньше требуемой.
Для окончательного выбора марки стали можно рекомендовать справочник по машиностроительным сталям, в котором стали систематизированы по назначению и качественным характеристикам, которые находятся в наибольшей связи с эксплуатационными свойствами изделий.
В справочнике сгруппированы сведения о назначении, физических и механических свойствах сталей при разных температурах, их сопротивлении усталости, износо- и коррозионной стойкости, жаростойкости и жаропрочности, длительной стойкости и ползучести. Приведены режимы термической обработки, данные о технологических свойствах сталей.