2. ПРИМЕРЫ ТЕРМИЧЕСКОЙ И ХИМИКО-ТЕРМИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКИ ДЕТАЛЕЙ МАШИН

В зависимости от условий работы деталей машин, их упрочнение достигается закалкой и отпуском, поверхностной закалкой или химико-термической обработкой, чаще цементацией и нитроцементацией с последующей закалкой и низким отпуском, реже азотированием.

Объемная закалка и отпуск. Объемную закалку с последующим низким или высоким отпуском для получения требуемых механических свойств широко применяют в машиностроении. Например, в машиностроении 35-40 % упрочняемых деталей подвергается объемной закалке и отпуску.

Получить высокую прочность у обычных машиностроительных сталей (до 0,5-0,6 % С) можно путем объемной закалки и низкого отпуска. Однако повышение прочности сопровождается уменьшением сопротивления хрупкому разрушению, о чем свидетельствует понижение и порога хладноломкости. Чем выше содержание в стали углерода, тем ниже вязкость разрушения сталей структурой отпущенного мартенсита (рис. 169, а).

Низкому отпуску подвергают детали машин (табл. 18), требующие по условиям работы высокой твердости сопротивления износу и контактным нагрузкам в условиях статического или циклического их действия. В этом случае для изготовления деталей машин используют

Рис. 169. Влияние содержания углерода на вязкость разрушения низкоотпущенных при 150-200 °С (а) и высокоотпущенных при 500-600 °С (б) легированных сталей (О. Н. Романив): 1 — легированные конструкционные и инструментальные стали; 2 — стали после ВТМО; 3 — стали после закалки с перегревом (зерно аустенита номер 1—4); 4 — мелкозернистая сталь (номер 12—15); 5 — рафинированная сталь (чистая)

(кликните для просмотра скана)

продолжение табл. 18. (см. скан)

высокоуглеродистые легированные стали (см. с. 259). Низкому отпуску подвергают и некоторые детали машин из конструкционных сталей, содержащих 0,35-0,45 % С и требующих высокой твердости (табл. 18).

Для изготовления нагруженных болтов, баллонов высокого давления, некоторых деталей шасси самолета нашли применение высокопрочные проходящие объемную закалку и отпуск при Высокопрочные низкоотпущенные стали чувствительны к концентраторам напряжений, водородной хрупкости и анизотропии механических свойств. Для низко-отпущенных конструкционных сталей большое значение имеет чистота стали по неметаллическим включениям, газам и вредным примесям. Чем чище сталь, тем выше предел выносливости и пластичность стали.

Низкому отпуску подвергают и низкоуглеродистые цементуемые (нитро-цементуемые) стали, которые обеспечивают высокую конструкционную прочность, особенно если они мелкозернистые.

Объемной закалке с последующим отпуском при подвергают

Таблица 19 (см. скан) Стали и термическая обработка упругих элементов машин (типовые детали)

упругие элементы машин (табл. 19), изготовляемые из сталей и др. (ГОСТ 14959-79). Максимальные упругие свойства достигаются при сквозной прокаливаемости. Поэтому марку стали подбирают по прокаливаемости.

Критический диаметр прокаливаемости для стали составляет 12—16 мм, а для стали при закалке в масле соответственно и 80 мм.

Подавляющее число деталей машин из среднеуглеродистых конструкционных сталей подвергаются закалке и высокому отпуску при 550-650 °С, который обеспечивает хорошую конструктивную прочность — высокие значения работы распространения трещины КСТ и вязкости разрушения (см. рис. 169, б) при низком пороге хладноломкости (сталь

Таблица 20 (см. скан) Типовые детали машин, упрочняемые объемной закалкой и высоким отпуском

После улучшения стали обладают высокой живучестью (низкой скоростью роста трещины усталости), несмотря на раннее по времени образование трещины усталости.

После закалки и. высокого отпуска предел выносливости повышается на 30—40%, долговечность — от 2 до 5 раз, предел контактной выносливости — на 20-50 %, сопротивление фреттинг-коррозии — в 2—5 раз и значительно возрастает вязкость разрушения (см. рис. 169, б). Однако после улучшения сталь чувствительна к концентраторам напряжений.

В табл. 20 приведены типовые детали машин, упрочняемые закалкой и высоким отпуском, а также рекомендуемые стали. Для улучшаемых деталей твердость и прочность колеблются в широких пределах в зависимости от температуры отпуска и состава стали и .

Огали с различным содержанием углерода и легирующих элементов после одинакового режима обработки отличаются друг

Рис. 170. Зависимость механических свойств стали от временного сопротивления (А. П. Гуляев)

от друга по механическим свойствам. Однако, если различные стали обработать на одинаковую прочность (твердость значения и оказываются близкими (рис. 170 и табл. 21). Это положение справедливо для вязкого разрушения.

Если после улучшения предел текучести может быть использован для расчетов деталей машин без опасенпя возникновения хрупкого разрушения. При не удается получить полностью вязкое разрушение, и расчеты следует вести по КСТ и

Как было указано ранее, оптимальное сочетание прочности и пластичности после улучшения достигается, если сечение изделия соответствует критическому диаметру (95 % мартенсита) для данной стали (см. с. 206).

Механические свойства стали в первую очередь определяются содержанием в ней углерода, от которого зависит и закаливаемость стали. Прокаливаемость определяется присутствием легирующих

Таблица 21 (см. скан) Механические свойства улучшенных сталеб в зависимости от временного сопротивления (А. П. Гуляев)

элементов. В условиях полной прокаливаемости механические свойства мало зависят от природы и степени легированностй. Исключение 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 легирующих элементов способствует росту склонности к хрупкому разрушению и ухудшает технологические свойства.

Глубокопрокаливающиеся легированные стали применяют для крупных деталей большой толщиной стенки или большим диаметром. Если изделия работают на изгиб (кручение), напряжения по сечению распределяются неравномерно: на поверхности они максимальны, а в середине или в центре равны нулю. Для такого рода изделий сквозная прокаливаемость не нужна. Например, сквозная прокаливаемость деталей станков необходима лишь в отдельных случаях.

Для надежного обеспечения прочности ответственных деталей, работающих при эксплуатации в основном на изгиб и кручение, закаленный слой со структурой 95 % мартенсита должен располагаться на глубине не менее 1/2 радиуса от поверхности.

Для деталей, работающих на растяжение (шатуны, торсионные валы, ответственные болты и др.), а также для рессор и пружин нужно обеспечить полную прокаливаемость по всему сечению (95 % мартенсита в центре заготовки), т. е. равнопрочность по сечению.

Для большинства ответственных деталей машин из улучшаемых сталей твердость после закалки на расстоянии 1/2 радиуса от поверхности должна быть не менее . Для изделий, работающих на растяжение, оптимальная твердость должна быть в сердцевине. Детали сложной конфигурации для уменьшения их деформации в процессе закалки также следует изготовлять из легированных сталей, закаливаемых в масле или даже на воздухе.

Рис. 171. Отжиг поковок различного сечения из углеродистых и низколегированных сталей

При выборе стали следует учитывать, что легирующие элементы повышают устойчивость аустенита против отпуска, поэтому для получения требуемой прочности и твердости легированные стали при улучшении подвергают отпуску при более высокой температуре. Это позволяет не только более полно снять закалочные напряжения, но и получить в стали лучшее сочетание прочности и вязкости.

В тяжелом и энергетическом машиностроении масса деталей (поковок) достигает десятков и сотен тонн (роторы турбин и генераторов, рабочие колеса гидротурбин, траверсы и рамы прессов и т. д.), что осложняет термическую обработку. Термическая обработка крупных поковок, как правило, состоит из двух этапов: предварительного и окончательного.

Предварительную термическую обработку проводят непосредственно после ковки с целью измельчения зерна аустенита (отжиг), предотвращения появления флокенов, снижения твердости для облегчения последующей механической обработки, уменьшения остаточных напряжений и подготовки структуры под окончательную термическую обработку.

Небольшие поковки из сталей типа малочувствительные к флокенам (см. е. 134), отжигают по режиму, приведенному на. рис. 171. При охлаждении до аустенит углеродистых сталей распадается с образованием ферритно-цементитной структуры, а аустенит легированных еталей — с

(кликните для просмотра скана)

образованием бейнита. В процессе изотермической выдержки при 640-660 °С и последующего медленного охлаждения происходит удаление растворенного водорода с поверхностных слоев и перераспределение его в центре поковки. При этом уменьшается количество активного растворенного водорода, что приводит к уменьшению флокеночувствительности стали.

На рис. 172 приведена схема отжига и антифлокенной предварительной термической обработки крупных поковок из среднелегированных и высоколегированных сталей, склонных к образованию флокенов. Продолжительность отжига поковок в зависимости от марки стали (флокеночувствительности) и размеров поковок составляет

Окончательная термическая обработка поковок сводится к закалке (или двойной закалке) в воде, реже в масле и отпуску. Иногда вместо закалки применяют нормализацию. Продолжительность этих операций 100-400 ч. На рис. 173 приведена схема закалки и отпуска роторов турбогенератора массой из сталей После закалки в масле структура по сечению — верхний бейнит, что предопределяет высокий порог хладноломкости и пониженное значение ударной вязкости особенно в глубинных зонах. Закалка в воде приводит к частичному образованию мартенсита, но главным образом, нижнего бейнита, что обеспечивает комплекс высоких механических свойств. Продолжительность охлаждения поковки в воде при диаметре (толщине) 1000—1200 мм составляет 2,5-3 ч. Вслед за закалкой следует отпуск при 580-600 °С.

Поверхностная закалка при индукционном нагреве. Поверхностную закалку применяют для деталей машин, испытывающих в работе изгиб, кручение и контактные напряжения, т. е. в тех случаях, когда рабочие напряжения максимальны на поверхности. Чаще закалка при индукционном нагреве применяется для

Рис. 173. Режим окончательной термической обработки роторов

валов, коленчатых валов мало- и средненагруженных зубчатых колес и многих других деталей машин.

Индукционная поверхностная и объемно-поверхностная закалка стали по оптимальным режимам и правильный выбор стали значительно повышают предел выносливости (см. табл. 16), предел контактной выносливости на 50-70 %, долговечность в 2—5 раз и сопротивление фреттинг-коррозии в 2—5 раз. В местах обрыва закаленного слоя, не охватывающего концентраторы напряжений (галтели, выточки и др.), образуются остаточные растягивающие напряжения, снижающие Эти места нужно упрочнять ППД.

Разработка методов поверхностной закалки при глубинном индукционном нагреве (см. с. 223) позволила использовать его как комплексный способ упрочнения, одновременно повышающий сопротивление статическим и усталостным нагрузкам при изгибе при высоком уровне контактной усталости и сопротивления износу.

Поверхностная закалка при индукционном нагреве по сравнению с химико-термической обработкой менее трудоемка и во многих случаях по качеству деталей не уступает цементации (нитроцементации).

Недостатком этого метода упрочнения является трудность его унификации. Для каждой детали конструкции индуктора, охлаждающих устройств и установок в целом разрабатываются отдельно. Поэтому применение для поверхностной закалки индукционного нагрева при единичном и мелкосерийном производстве должно быть технически и экономически обосновано с учетом как затрат непосредственно на термическую обработку, так и эффекта от повышения работоспособности изделий.

В табл. 22 приведены примеры использования поверхностной закалки при индукционном нагреве для упрочнения деталей металлорежущих станков и автомобилей. Некоторые шестерни заднего моста автомобиля (например, коническая ведомая и ведущая шестерни редукторов заднего моста) изготовляют из стали (см. с. 223) и упрочняют поверхностной закалкой при глубинном индукционном нагреве (автомобили

В зависимости от модуля колеса рекомендуется применять стали с критическим диаметром по прокаливаемости (в сердцевине заготовки полумартенситная структура), равным мм для мм для и 13 мм и более для .

После закалки твердость на поверхности зуба а в сердцевине Толщина упрочненного слоя 1—2 мм. Сталь после поверхностной закалки обладает высокой прочностью, а также достаточной вязкостью, поэтому она может быть рекомендована для колес с мм, для которых контактные напряжения не очень велики. Применение стали дает большой экономический эффект вследствие перехода от

(кликните для просмотра скана)

Продолжение табл. 22 (см. скан)

длительных процессов химико-термической обработки к закалке при индукционном нагреве и замены легированных сталей.

В тракторном -и сельскохозяйственном машиностроении, если к зубчатым колесам не предъявляется высоких требований по износостойкости, их изготовляют из сталей и упрочняют закалкой высоким отпуском и последующей поверхностной закалкой при индукционном нагреве на глубину 1,5-2,5 мм и твердость

В станкостроении поверхностной закалке при индукционном нагреве подвергают только мало- и средненагруженные зубчатые колеса, чаще не переключаемые на ходу. Этот метод упрочнения часто используют для шестерен малых и средних размеров, работающих с колесами, подвергнутыми упрочнению, ввиду хорошей их взаимной прирабатываемости. Обычно колеса для поверхностной закалки изготовляют из стали и закаливают на глубину 0,2-0,25 т., но не более мм. Закалка венца зубчатых колес мм и проводится насквозь и при том глубже их впадины на мм. Для обеспечения высокой износостойкости и прочности твердость на поверхности должна быть на уровне При этом закалка должна быть контурной без перерыва этого упрочненного слоя.

В станкостроении чугунные базовые детали, колонны (стойки) токарных станков-полуавтоматов, радиальносверлильных и других станков подвергают закалке с индукционным нагревом на толщину упрочненного слоя мм и твердость

Для изготовления коленчатых валов сложной формы с большими фланцами и отверстиями наряду сталью применяют высокопрочные магниевые чугуны . Пониженная прочность чугунных валов в значительной степени компенсируется более конструктивными их формами, малой чувствительностью чугуна к концентраторам напряжений, в многоопорных валах меньшим вмещением опор и снижением опасности

резонансяых колебаний благодаря повышенной демпфирующей способности.

Чугунные валы весьма разнообразны, начиная от небольших (для двигателей автомобилей до весьма крупных (массой до 700—1300 кг, длиной и диаметром 200—250 мм). Коленчатые валы отливают в оболочковые формы и шейки валов автомобильных двигателей упрочняют поверхностной закалкой при индукционном нагреве на твердость После закалки валы подвергают низкому отпуску при Перед поверхностной закалкой валы проходят нормализацию с последующей сфероидизацией. Толщина упрочненного слоя 2—3 мм.

Химико-термическая обработка. Этот вид обработки применяют для деталей машин, которые должны сопротивляться износу при различных давлениях, обладать высокой прочностью при изгибе, а также высокими значениями сопротивления усталости при изгибе, контактных напряжениях, сопротивляться схватыванию и задирам в условиях трения без смазочного материала. Цементация и нитроцементация рекомендуются для наиболее напряженных деталей машин (зубчатые колеса, валы, шпиндели, вал шестерни и др.).

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

Для высоконагруженных деталей, цементуемых на большую толщину (более мм), рекомендуются стали, легированные никелем, молибденом с микродобавками Эти стали обеспечивают высокую прокаливаемость цементованного (нитроцементованного) слоя и хороший комплекс механических свойств.

Цементация (на толщину мм) или нитроцементация (на толщину мм) и последующая закалка и низкий отпуск повышают предел выносливости на предел контактной выносливости на износостойкость в 3—10 раз, долговечность в 5—10 раз и сопротивление фреттинг-коррозии в 2— 5 раз. Твердость сердцевины и слоя

Максимальная долговечность в области малоцикловой усталости достигается при высоком значении сердцевины. С увеличением толщины цементованного слоя и содержания в нем углерода вязкость разрушения (рис. 174) уменьшается. Повышение содержания углерода на поверхности слоя выше 0,7-0,8 % сильно снижает также (рис. 175). Наибольшее упрочнение после

Рис. 174. Влияние толщины слоя (а) и содержания на поверхности слоя углерода (б) на вязкость разрушения толщина образца

цементации (нитроцементации) достигается, когда слой еостоит из мартенситно-аустенитной структуры, сердцевина и слой имеют мелкое зерно и отсутствуют такие дефекты, как карбидная или трооститная сетка, выделение по границам зерен карбонитридов хрома и темной составляющей при нитроцементации.

Поэтому нужно принимать меры, исключающие появление указанных дефектов упрочненного слоя в процессе химико-термической обработки, или предусматривать способы их устранения окончательной механической обработкой.

На конструктивную прочность деталей большое влияние оказывает толщина упрочненного слоя. Эффективная толщина слоя или определяется оптимальным отношением толщины слоя к характерному размеру детали. Например, для цилиндрических деталей для зубчатых колее (-модуль). Для зубчатых колес эффективная толщина слоя составляет при этом большие отношения относятся к мелкомодульным зубчатым колесам (см. табл. 23). Повышение толщины слоя более снижает и повышает критическую температуру хрупкости. Для повышения контактной прочности толщина слоя должна быть больше.

Для устранения деформации изделий после цементации нередко проводят шлифование на толщину мм. Это приводит к снижению на поверхности остаточных напряжений сжатия и даже образованию растягивающих напряжений, снижающих Поэтому после цементации нередко проводят ППД, которое формирует на поверхности детали высокие напряжения сжатия. При циклических нагрузках сопротивление цементованных

Рис. 175. Влияние содержания углерода в цементованном слое на предел выносливости стали типа ХГТ

и нитроцементованных деталей разрушению зависит от прочности сердцевины. Повышение прочности сердцевины способствует увеличению и контактной прочности. Например, при твердости выше допустимые контактные напряжения при базе 107 циклов составляют а при твердости 25—35 HRC не превышают поэтому прокаливаемость приобретает одно из важнейших 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.

В табл. 23 и 24 приведены типичные детали автомобиля и металлорежущих станков, подвергаемые цементации и нитроцементации.

Наиболее часто цементации и нитроцементации подвергают зубчатые колеса, которые должны обладать высокой износостойкостью рабочих поверхностей и достаточной статической прочностью, сопротивлением усталости при изгибе и при контактном нагружении.

Твердость на поверхности зуба во избежание его хрупкого разрушения не должна превышать а в сердцевине 30— С повышением твердости сердцевины, например при увеличении содержания углерода в стали, возрастает предел контактной выносливости зубчатых колес, но снижается и увеличивается опасность хрупких разрушений.

Стали и методы упрочнения зубчатых колес, применяемые в тракторном и сельскохозяйственном машиностроении, можно классифицировать по степени нагруженности этих деталей.

1. Мало- и средненагруженные зубчатые колеса (шестерни ведущие и ведомые коробки передач, шестерни главной передачи ведомые и др.) изготовляют из безникелевых и малоникелевых сталей с упрочнением цементацией на толщину мм или нитроцементацией на толщину мм. Твердость на поверхности Твердость сердцевины зубьев

2. Тяжелонагруженные зубчатые колеса изготовляют из малоникелевых цементуемых (нитроцементуемых) сталей и хромоникелевой При этом толщина упрочненного слоя и нормы его твердости остаются такими же, как и для малонагруженных зубчатых колес. Однако твердость сердцевины несколько выше — 30—45 HRC.

Цементацию применяют для подшипников массовых типов с наружным диаметром 40—150 мм и крупногабаритных подшипников диаметром до испытывающих в процессе эксплуатации

Таблица 23 (см. скан) Детали металлорежущих станков, упрочняемых цементацией

значительные ударные и контактные нагрузки. Наружные кольца с диаметром менее 60 мм из стали после холодной штамповки подвергают цементации при на толщину слоя 1,1 — 1,7 мм, а диаметром более 60 мм на толщину мм. После цементации следует закалка от в масле температурой 30-60 °С и отпуск при Твердость цементованного слоя Крупногабаритные подшипники изготовляют из стали и цементируют при 930 °С в течение 50— 200 ч в зависимости от размера колец и ролика и требуемой толщины слоя. После цементации детали подшипников закаливаются от температуры цементации в масле, проходят высокий отпуск при 580-600 °С, нагреваются до 790-800 °С с последующим охлаждением в масле и отпускаются при 160°С 7-12 ч. Толщина слоя до 10 мм и твердость

(кликните для просмотра скана)

Для деталей, склонных к короблению (деформациям), работающих на износ и испытывающих небольшие контактные нагрузки, рекомендуется азотирование. Азотированию могут подвергаться практически все легированные стали.

Азотирование повышает износостойкость деталей машин в 5—10 раз, предел выносливости при изгибе на 30-60 % и сопротивление коррозии. Твердость колеблется в широких пределах 650— 1200 HV в зависимости от состава стали и режима обработки.

В станкостроении для повышения предела выносливости и износостойкости, а также сопротивления схватыванию наиболее нагруженные детали станков (например, шпиндели обрабатывающих центров) после улучшения подвергают азотированию. Азотирование используют для поверхностного упрочнения гильз и массивных накладных направляющих валов, планок, ходовых винтов шпинделей для опор скольжения и др.

Азотирование применяют и для мало- и средненагруженных колес сложной конфигурации, например, внутренними зубьями, шлифование которых трудно осуществить. В этом случае зубчатые колеса изготовляют из стали (конические) или (цилиндрические). После азотирования на глубину (но не более 0,6 мм), в результате которого обеспечивается минимальная деформация, проводится только притирка или хонингование зубьев. Азотированные колеса при большем числе циклов нагружений не уступают по контактной прочности (сопротивлению выкрашиванию) цементованному (нитроцементованному), но вследствие малой толщины слоя для них должна быть меньше контактная нагрузка.

Широко применяется азотирование деталей топливной аппаратуры и клапанов дизельных двигателей, деталей турбин из высокохромистых сталей , а также штоков клапанов паровых турбин, гильз цилиндров, игл форсунок, тарелок букс, распылителей, пальцев, плунжеров, шестерен из стали

Азотирование используют для упрочнения как крупных высоконагруженных коленчатых валов, например тепловозных двигателей (диаметром шейки 150—300 мм) из стали и других, так и небольших коленчатых валов из стали После азотирования коленчатые валы обладают высокой износостойкостью и сопротивлением усталости при их незначительной деформации. Крупные коленчатые валы перед азотированием проходят сложную термическую обработку (предварительную нормализацию поковок с последующим высоким отпуском после механической обработки, улучшение и термическую стабилизацию). Крупные валы азотируют на толщину слоя мм, валы меньшего размера азотируют после улучшения на толщину мм. Твердость после азотирования

Азотированию на толщину елоя 0,7 мм подвергают и коленчатые валы тепловозов, отлитые из высокопрочного магниевого чугуна, для повышения сопротивления износу и предела выносливости. Твердость на поверхности После азотирования шейки валов шлифуют, а галтели полируют.