Изготовление изделий из стали 18 ХГТ

Задание.

Шестерни, валики, червяки, втулки и некоторые другие детали должны иметь после термообработки твердый, износоустойчивый поверхностный  слой HRC=56-62 при вязкой сердцевине. Для изготовления выбрана сталь 18ХГТ. Назначить режим термообработки, дать обоснование выбранному режиму, описать микроструктуру до и после термической обработки. Обосновать выбор марки стали, указать на возможность замены этой стали какой-либо другой.

 

 

 

 

Конструкционные цементуемые легированные стали.

Для цементуемых изделий  применяют низкоуглеродитые (0,1-0,25% C) стали. После цементации, закалки и низкого отпуска этих сталей цементованный слой должен иметь твердость HRC 58-62, а сердцевина HRC 34-42. Сердцевина цементуемых сталей должна обладать высокими механическими свойствами, особенно повышенным пределом текучести, кроме того, она должна быть наследственно мелкозернистой.

Увеличение действительного зерна  в цементованном слое после термической  обработки вызывает уменьшение контактной выносливости, предела выносливости, сопротивления хрупкому разрушению и увеличение деформации обработки.

 Реальные изделия после цементации, как правило, обрабатываются  по другим режимам. Например, двойная закалка после цементации применяется редко.

                                      

                       Химический состав (по легирующим элементам), термическая обработка и механические свойства стали 18ХГТ  (По ГОСТ 4543-71):

 

 

 

 

                                Хромомарганцевые стали.

 

Сталь 18ХГТ относится  к хромомарганцевым сталям. Марганец - дешевый элемент, применяется как заместитель в стали никеля. Как хром, марганец растворяется в феррите и цементите. Повышая устойчивость аустенита, марганец снижает критическую скорость закалки и повышает прокаливаемость стали.

Хромомарганцевые стали применяют во многих случаях вместо дорогих хромоникелевых. Однако эти стали менее устойчивы против перегрева и имеют меньшую вязкость по сравнению с хромоникелевыми. Введение небольших количеств титана, образующего труднорастворимые в  аустените карбиды TiC, уменьшают склонность хромомарганцевых сталей к перегреву.

В автомобильной и  тракторной промышленности, а так  же в станкостроении применяют стали 18ХГТ и 25ХГТ. Эти стали склонны  к внутреннему окислению при  газовой цементации, что снижает  твердость цементованного слоя и придел выносливости, поэтому широко применяют стали 25ХГМ, легированною молибденом. Молибден, повышая прокаливаемость слоя, устраняет вредное влияние внутреннего окисления и обеспечивает максимальную его твердость.

Диаграмма изотермического распада переохлажденного аустенита для цементуемой стали 18ХГТ:

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Режимы упрочняющей  термической и  химико-термической  обработки, рекомендуемые для типовых  деталей машин. 

 

 

Выбор стали для изготовления той или иной детали и методы ее упрочнения в первую очередь определяются условиями работы детали, величиной и характером напряжений, возникающих в ней в процессе эксплуатации, размерами и формой детали и т.д.

 

1.Эксплуатационное требование. Сталь должна удовлетворять условиям работы в машине, т.е. обеспечивать заданную конструктивную прочность, что вначале определятся 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 эксплуатации. Имея информацию о стойкости деталей, можно установить комплекс прочностных и других параметров, которые находятся в наибольшей корреляции с эксплуатационным свойствами деталей машин. При установлении этих параметров кроме стандартных механических свойств с учетом прокаливаемости стали должны учитываться работа распространения трещины, предел выносливости, контактная усталостная прочность, сопротивление износу и т.д.

 

2.Технологическое требование. Сталь должна удовлетворять требованиям минимальной трудоемкости изготовления детали. В частности, сталь должна обладать хорошей обрабатываемостью резанием и давлением, и поэтому особое значение приобретает выбор правильного режима предварительной термической обработки заготовок, который назначается с учетом последующих процессов упрочнения.

3.Экономическое требование. Материал должен быть возможно дешевле, с учетом всех затрат, включающих не только стоимость стали, но и изготовление детали и, наконец, их эксплуатационную стойкость в машинах, в которых они должны работать. В первую очередь нужно стремиться выбрать менее дорогую сталь, углеродистую или низколегированную. Дорогие легированные конструкционные стали, содержащие Ni, Mo, V и др., следует применять лишь в тех случаях, когда более дешевые стали не обеспечивают требования, предъявляемые к изделию. Применение легированной конструкционной стали должно быть технически и экономически целесообразным и оправдано 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, например, более прочные материалы  мене технологичны, труднее обрабатываются при резании, холодной объемной штамповке, сварке и т.д. Решение при выборе материала обычно компромиссно, между указанными требованиями к стали. В массово машиностроение предпочитают упрощение технологии и снижение трудоемкости в процессе изготовления детали, некоторой потери свойств или увеличению массы детали. В специальных отраслях машиностроения, где проблема прочности играет решающую роль, выбор материала и последующая термическая обработка должны рассматриваться из условия достижения только максимальных эксплуатационных свойств. Вместе с тем не следует стремиться к излишне высокой долговечности деталей по отношению к долговечности машины.

При решении вопроса  о выборе стали для получения  требуемых механических свойств  и других характеристик так же важно установить наиболее оптимальный вид упрочняющей термической или химико-термической обработки. При выборе упрочняющей обработки, особенно в условиях массового производства, предпочтение следует отдавать наиболее экономичным и производительным технологическим процессам, например: поверхностной закалке при поверхностном глубинном или индукционном нагреве, газовой цементации, нитроцементации и т.д.

Для проведения упрочняющей  обработки на каждую деталь составляется технологическая карта с указанием марки стали, режима термической обработки, применяемого оборудования, приспособления, контроля качества и т.д.

Обычно рассматривается  возможность применения нескольких марок стали и способов упрочнения. Это позволяет выбрать наиболее рациональный вариант, обеспечивающий наряду с высокими эксплуатационными свойствами хорошую технологичность при выполнении механической и термической обработки.

Первыми параметрами, определяющими  выбор марки стали, являются механические свойства и распределение их по сечению. Сочетание прочности и пластичности после улучшения достигается, если сечение изделия соответствует критическому диаметру для данной стали.

Механические свойства стали в  первую очередь определяются содержанием  в ней углерода, от которого зависит  и закаливаемость стали. Прокаливаемость определяется присутствием легирующих элементов. В условиях полной прокаливаемости механические свойства мало зависят от природы и степени легированности. Исключения составляют никель и молибден, повышающие сопротивление хрупкому разрушению. Однако не следует стремиться к применению сталей с излишне высокой прокаливаемостью, поскольку необходимое для этого высокое содержание хрома, марганца и кремния способствует росту склонности к хрупкому разрушению.

Содержание легирующих элементов в стали, предназначенной для изготовления деталей, упрочняемых цементацией, так же как и улучшаемых, не должно быть слишком высоким, но должно обеспечивать требуемую прокаливаемость поверхностного слоя и сердцевины и должно тормозить рост зерна аустенита при нагреве. Легирование должно обеспечить возможность применения наиболее экономичного и технически выгодного метода термической обработки – непосредственной закалки из цементационной печи.

Детали, подвергаемые цементации, должны сопротивляться износу при различных удельных давлениях, обладать высокой прочностью при изгибе и кручении, а также высокими значениями усталостной прочности, противостоять высоким контактным напряжениям, сопротивляться 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 нагрузках  пластическая деформация обычно возникает под упрочненным слоем - в сердцевине, что, в свою очередь, приводит к увеличению деформации в слое. При повышении предела текучести сердцевины и ограниченном запасе пластичности слоя в нем образуются тещины. Следовательно, статическая прочность при изгибе и кручении, при прочих равных условиях, зависит от предела текучести сердцевины и запаса пластичности в цементованном слое.

При циклических нагрузках  сопротивление цементованных деталей  разрушению зависит от прочности  сердцевины. Повышение прочности сердцевины способствует увеличению и контактной прочности. Например, при твердости выше HRC 35 допустимые контактные напряжения при базе 10⁷ циклов составляют 190 кгс/мм², а при твердости HRC 25-35 не превышают 175 кгс/мм² , поэтому прокаливаемость приобретает одно из наиболее важных 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 термической обработке, повышает деформацию и коробление деталей после закалки. Оба фактора приводят к снижению предела выносливости деталей, особенно при ухудшении точности зацепления зубчатых колес, деформации сложных зубчатых зацеплений, шлицевых соединений и пр. Большое значение имеет и прокаливаемость цементованного 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, формированию избыточных карбидов при насыщении и другими дефектами, возникающими при химико-термической обработке. Образование в слое немартенситных продуктов превращения резко снижает предел выносливости.

 

Рассмотрим  на примере стали 18ХГТ выбор материала  и упрочняющей термической обработки  для типовых деталей машин.    

                Валы

В зависимости от назначения и условий работы эксплуатационная стойкость валов определяется усталостной прочностью в условиях кручения и изгиба, контактной прочностью и износостойкостью.

Валы (гладкие, ступенчатые, шлицевые), работоспособность которых  определяется контактной выносливостью  и износостойкостью, должны иметь  поверхностную твердость HRC 48-50. В станкостроении для обеспечения этой твердости валы небольших размеров изготовляют из сталей 45 и 50 и упрочняют их поверхностной закалкой при индукционном нагреве.

В тех случаях, когда  к валам небольших размеров предъявляются так же и повышенный требования к усталостной прочности на изгиб и кручение, их перед поверхностной  закалкой подвергают улучшению. В этом же случае крупные валы изготовляют из легированных сталей 40Х, 40ХГТ и др., обеспечивающих повышенную прокаливаемость. Когда требуется более высокая износостойкость и соответственно высокая твердость, например, для быстроходных валов станков диаметром  25-30, 60-80, 80-100 мм, их изготовляют из сталей 20Х, 18ХГТ и 12ХН3А соответственно, которые подвергают цементации.

 

 

 

 

Так для стали 18ХГТ термическая обработка будет  заключаться в цементации при 930 C, нормализации при 830 C (если необходимо), закалке, низком отпуске при 170-200 C. После чего твердость сердцевины будет составлять  HB 207-302, поверхности HRC 56-62, а толщина упрочненного слоя порядка 1,3-1,6 мм. 

 

Шпиндели.

 

Основное требование к материалу шпинделей для  опор качения и скольжения – обеспечение  повышенной твердости с целью  получения высокого сопротивления  изнашиванию, схватыванию, образованию  забоин и т.д. Сталь для шпинделей выбирают с учетом прокаливаемости в зависимости от сечения изделия. Чем больше толщина стенки, тем выше должна быть легированность стали для обеспечения требуемой прокаливаемости.

Шпиндели указанного типа для станков нормальной повышенной точности упрочняют повышенной закалкой при нагреве ТВЧ или объемной закалкой с отпуском на твердость HRC 40-50. Шпиндели станков особо высокой точности упрочняют цементацией или азотированием на твердость не менее HRC 56. В качестве материала для изготовления цементуемых шпинделей применяют стали 18ХГТ, 20Х и 12ХН3А. Применение легированных сталей позволяет производить закалку в масле (расплавленные соли), что снижает деформацию шпинделя. Шпиндели этого же типа, подвергаемые азотированию, изготавливают из сталей 18ХГТ или 40ХФА. После азотирования деформации шпинделя минимальные.

 

Так для стали 18ХГТ термическая  обработка будет заключаться  в цементации при 930 C, закалке при 840 C и отпуске при 170-210 С, после чего поверхностная твердость будет HRC 56-62, а толщина упрочненного слоя 1,0-1,3 мм.  

 

 

Зубчатые колеса.

 

Наиболее часто выход  из строя зубчатых колес связан с  контактным усталостным разрушением, торцовым износом, заеданием зубьев, также поломкой зуба из-за усталости или кратковременных перегрузок.

Сталь и вид окончательной термической  и химико-термической обработки  устанавливаются в зависимости  от конструкции и условий службы зубчатых колес. Силовые зубчатые колеса должны обладать высокой износоустойчивостью  рабочих поверхностей и достаточной статической, усталостной прочностью на изгиб и при контактном нагружении. Сталь и упрочняющая обработка шестерен должны обеспечить высокий предел прочности, усталостную прочность, в том числе и при контактном нагружении, а также удовлетворительную вязкость.