Завод изготавливает зубчатые колеса: • цементованные, имеющие временное сопротивление (σв) в сердцевине 650-700 МПа и ударную вязкость (КCU) не менее 800 кДж/м²; (Решение → 17158)

Заказ №38657

6.8. Завод изготавливает зубчатые колеса:

• цементованные, имеющие временное сопротивление (σв) в сердцевине 650-700 МПа и ударную вязкость (КCU) не менее 800 кДж/м²;

• азотированные, имеющие временное сопротивление в сердцевине 950...1000 МПа и ударную вязкость не менее 900 кДж/м²;

• из термически улучшенной стали с временным сопротивлением 900- 1000 МПа и ударной вязкостью не ниже 600 кДж/м². Выберите марки сталей.

Приведите их химический состав, обработку и структуру, необходимые для получения указанных механических свойств. Сравните режимы обработки и, учитывая свойства, полученные в готовом изделии, определите, для каких условий эксплуатации наиболее рационально использовать стали указанных выше свойств. При решении можно принять, что зубчатые колеса всех типов имеют одинаковые диаметр (50 мм) и высоту (80 мм).

Выберем для изготовления зубчатых колес улучшаемую сталь 40ХН, цементуемую сталь 20ХГР и азотируемую сталь 38Х2МЮА.

Сталь 40ХН содержит в среднем 0,4 % углерода, легирующие элементы – хром и никель введены в количестве по 1 % (каждого элемента). Данная марка не содержит в большом количестве дорогостоящих легирующих элементов.

Температура критических точек: Ac1 = 735, Ac3 = 768 оС.

Для получения повышенной прочности и высокой ударной вязкости шестерен из стали 40ХН целесообразно проводить улучшение,.

Улучшение – вид термической обработки, сочетающий проведение закалки с последующим высокотемпературным отпуском.

Закалка – вид термической обработки, который заключается в нагреве до определенных температур, выдержке при этих температурах и последующем охлаждении со скоростями выше критической скорости закалки (V≥Vкр).

Закалка для доэвтектоидных сталей, в том числе и стали 40ХН, проводится полная с нагревом несколько выше (на 30-50 ℃) критической температуры Ас3 (линия GS на диаграмме состояния железо-цементит):

Тн=Ас3 + (30-50 ℃) (1) Тн= 768 + (30-50 ℃)=798-818 ℃.

Примем температуру нагрева при закалке 800-820 оС.

Легирующие элементы снижают критическую скорость закалки, увеличивают прокаливаемость стали.

Легирование позволяет проводить более медленное охлаждение в масле, которое предотвращает возникновение деформаций, обеспечивает получение структуры мартенсита. Поэтому легированные стали охлаждают при закалке в масле.

Исходная структура сплава феррито-перлитная. При нагреве до температур закалки выше критической точки Ас3 происходит образование аустенита, который при охлаждении со скоростью выше критической скорости закалки превращается в мартенсит. Структура стали после закалки: мартенсит, небольшое количество аустенита остаточного.

Закаленная сталь имеет высокую твердость и большие внутренние напряжения, образующиеся при закалке. Поэтому после закалки проводят отпуск.

Отпуск – вид термической обработки, который заключается в нагреве закаленной стали ниже критической точки Ас1, выдержке при этих температурах и последующем охлаждении обычно на воздухе. Т. к. сталь 40ХН склонна к отпускной хрупкости, охлаждение при отпуске необходимо проводить ускоренно (в воде или масле).

Выбор температуры отпуска зависит от требуемой твердости и необходимого уровня механических свойств изделий. Для стали 40ХН для обеспечения повышенной прочности и ударной вязкости необходимо проведение высокого отпуска при температуре 580-600 ℃.

В процессе отпуска при нагреве до 200 ℃ протекает выделение избыточного углерода в виде дисперсных частиц (карбидов переменного состава). С повышением температуры до 300-350 ℃ весь избыточный углерод выделится в виде карбида железа (цементита) Fe3C, при дальнейшем нагреве до 500-550 ℃ происходит укрупнение частиц карбидов. Мартенсит при этом превращается в феррит, образуется зернистая среднедисперсная смесь феррита и цементита, называемая сорбитом отпуска.

После назначенной термической обработки изделия из стали 40ХН будут обладать требуемой твердостью 240 – 280 HВ и следующими механическими свойствами: σв = 910 МПа; KCU = 830 кДж/м².

После объемной термообработки проводят поверхностное упрочнение закалкой ТВЧ с последующим низким отпуском. Температура нагрева поверхностного слоя принимается более высокой по сравнению с обычной (объемной) закалкой и зависит от скорости нагрева: чем выше скорость нагрева, тем выше температура. Время нагрева составляет до 10 с, при этом развивается скорость нагрева от 100 до 800 °С/с, а температура нагрева достигает 900...1150 °С.

После закалки ТВЧ проводят низкий отпуск.

Низкий отпуск происходит при нагреве закаленной стали до 200 °С, в результате чего образуется отпущенный мартенсит (Мотп). Длительность низкого отпуска 2ч + 2 мин на 1 мм сечения детали.

Структура шестерен из стали 40ХН после термической обработки: на поверхности – мартенсит отпуска, в сердцевине – сорбит отпуска.

Твердость поверхности HRC 52-56.