Машиностроительные стали. Справочник

В.Н. Журавлев, О.И. Николаева

Машиностроение, 1981 г.

1. РАЦИОНАЛЬНЫЙ ВЫБОР СТАЛЕЙ

1.1. Выбор цементуемых и нитроцементуемых сталей для зубчатых передач

Цементации и нитроцементации подвергаются различные детали. Наиболее широко этими технологическими методами упрочняются шестерни, зубчатые колеса, червяки, оси, рычаги переключений, а весьма перспективными для перевода на процесс нитроцементации могут быть детали подшипников качения , мерительный, калибрующий и режущий инструмент. Повышение эксплуатационных качеств деталей достигается правильным выбором марки стали. Сталь, применяемая для деталей, упрочняемых цементацией и ннтроцементацией, должна отвечать не только технологическим и эксплуатационным требованиям, но и характеризоваться определенным сочетанием прочностных и пластических свойств как сердцевины, так и упрочненного слоя. От свойств упрочненного слоя зависит контактная выносливость активных поверхностей зубьев шестерен и выносливость зубьев при изгибе.

Рассмотрим основные характеристики строения упрочненного слоя после цементации и нитроцементации и его влияние на эксплуатационные качества зубчатых передач.

Строение упрочненного слоя после цементации. Основные параметры, такие как суммарная концентрация углерода в слое, глубина слоя, твердость и микроструктура слоя и сердцевины, не могут однозначно характеризовать показатели прочности стали. Регулирование в оптимальных пределах указанных параметров является хотя и необходимым, но недостаточным условием для получения требуемых свойств цементованной стали.

Экспериментально установлено, что, например, в стали типа 25ХГТ, широко используемой для цементации, предел растворимости углерода в аустените при температуре закалки 850 °С равен 0,83%. Повышение концентрации углерода в слое сверх указанного предела приводит к обеднению твердого раствора легирующими элементами в связи с выделением карбидной фазы. концентрация хрома и марганца в твердом растворе снижается в два раза (до 0,5% каждого элемента), вследствие чего уменьшается прокаливаемость и прочность стали [18].

Особенно резкое падение концентрации углерода в твердом растворе наблюдается при подстуживании в атмосфере воздуха или в контролируемой атмосфере без автоматического регулирования углеродного потенциала. При этом предел усталости уменьшается на 30% (до 500—600 МПа), а предел прочности при изгибе снижается на 20%. Поэтому проводить термическую обработку ответственных шестерен в шахтных печах не рекомендуется.

Широко применяемые в настоящее время легирующие элементы в цементуемых сталях — хром, марганец и титан склонны к внутреннему окислению, В результате этого в периферийной зоне цементованной стали, содержащей хром( марганец, титан, на глубине до 0,04 мм могут образовываться окислы этих элементов; концентрация последних в твердом растворе уменьшится, а прокаливаемость поверхностного слоя понизится. Внутреннее окисление сопровождается также уменьшением концентрации углерода в растворе на глубине до 0,04 мм. Поэтому в зоне внутреннего окисления после закалки образуется бейнитная структура вместо мартенситиой. Если глубина внутреннего окисления превышает 0,013 мм, то предел усталости цементованной стали уменьшается на 25%. Одним из наиболее перспективных легирующих элементов для цементуемых сталей является молибден.

В результате исследоввния экспериментальных сталей установлено, что сталь типа 25Х05М05, содержащая 0,5 Мо и не более 0,5% Сr, обладает рядом преимуществ перед сталями, широко использующимися в настоящее время для цементуемых деталей [18]. Предельная растворимость углерода в аустените этой стали (типа 25Х05М05) при 850 °С значительно выше, чем в обычных цементуемых сталях, и составляет 1,32% вместо 0,83% у сталей типа 25ХГТ. Количество карбидной фазы у исследованной стали в два-три раза меньше. Концентрация молибдена в карбидной фазе в два раза меньше, чем концентрация хрома и марганца. сталь типа 25Х05М05 не подвержена и второму дефекту строения — внутреннему окислению. При стендовых испытаниях шестерен из исследованной стали были подтверждены ее значительные преимущества. Поэтому выбор оптимального состава стали для шестерен и учет строения цементованного слоя является обязательным условием правильного проектирования зубчатых передач.

Строение упрочненного слоя после ннтроцементации. В практике нитроцементации встречаются следующие дефекты слоя: сетка трооститных выделений на границах аустенитных зерен; темная составляющая на границах зерен; карбо-нитридная фаза в виде корочки или сетки на границах аустенитных зерен; высокое содержание остаточного аустенита.

Сетка трооститных выделений приводит к снижению твердости, износостойкости, контактной и изгибной усталостной прочности.

При испытании на контактную выносливость образцов из стали 20ХНЗА установлено, что появление трооститных выделений с глубиной распределения до 0,012 мм снижает контактную выносливость на 20%, а при испытаниях образцов из стали 20Х с глубиной дефекта 0,02 мм — почти в два раза.

Второй дефект — темная составляющая. Обнаруживается на нетравленых шлифах в виде темной сплошной или разорванной сетки на границах аустенитных зерен. глубина сетки 10—20% от общей толщины нитроцементоваиного слоя.

Для каждой стали существует минимальная температура нитроцемеитации, ниже которой темная сетка не обнаруживается. Природу темной составляющей изучали на автозаводе имени И. А. Лихачева. В результате исследования установлено, что этот дефект представляет собой сложные окислы. Темная составляющая в слое появляется при содержании азота, превышающем некоторое минимальное пороговое значение, которое снижается с увеличением продолжительности иитроцементации.

В слое с высоким содержанием азота повышение концентрации углерода также приводит к росту глубины распространения темной составляющей. Последняя легко возникает при малой концентрации углерода в слое и особенно при обезуглероживании или при быстром росте концентрации углерода до 2,0—2,5%.

При автоматическом регулировании углеродистого потенциала в рабочем пространстве печи в процессе иитроцементации углеродистой стали не наблюдается деазотирование поверхностной зоны слоя и соответственно не обнаруживается темная составляющая.

При нитроцементации легированных сталей темная составляющая образуется даже в условиях автоматического поддержания углеродистого потенциала. Увеличение добавки аммиака в этом случае первоначально вызывает рост концентрации азота в поверхностных зонах нитроцементованного слоя до 0,5—0,7%, а затем деазотирование, которое сопровождается образованием темной составляющей.

При отсутствии регулирования процесса по углеродному потенциалу концентрация азота в поверхностных зонах нитроцементованного слоя достигает максимума через 0,5 ч, а затем снижается. Сказанное подтверждается экспериментальными данными, полученными А. Я. Новиковой [591.

Таким образом, образование темной составляющей непосредственно связано с процессом деазотировання поверхности, который приводит к появлению микропористости в поверхностных зонах и при наличии кислорода в диффузионной зоне — к окислению металла.

Наличие темной составляющей уменьшает прочностные и пластические свойства нитроцементированных деталей и тем больше, чем значительней глубина дефектной зоны. Контактная выносливость при глубине дефектной зоны 0,025 мм снижается в 5—6 раз, а при глубине 0,06 мм — в 100 раз. предел выносливости нитроцементованных шестерен из стали 25ХГТ при глубине распространения темной составляющей до 0,08 мм снижается почти в 2 раза [59]. Для предотвращения появления темной составляющей необходимо:

вводить аммиак в рабочее пространство печи только после полного восстановления атмосферы в печи и достижения однофазного состояния диффузионной зоны стали;

исключить образование избыточной карбидной фазы в поверхностных зонах нитроцементованного слоя посредством автоматического регулирования углеродного потенциала газовой атмосферы;

ограничить подачу аммиака при ннтроцементаини в пределах, определяемых продолжительностью выдержки или глубиной слоя.

По данным автозавода имени А. И. Лихачева, подача аммиака в зону насыщения должна производиться не ранее чем за 2,0—2,5 ч до закалки для исключения стадии деазотирования поверхностных зон нитроцементованного слоя.

Третий дефект — образование карбоннтрндной фазы. При температуре нитроцементации 800—860 °С на поверхности деталей из углеродистой стали при высоком углеродном потенциале газовой атмосферы образуется карбонитридная зона. С повышением температуры процесса толщина карбоннтрндной зоны уменьшается. Появление карбоннтридной корки приводит к резкому охрупчиванию слоя, выкрашиванию поверхности и снижению прочности при статическом и динамическом изгибом нагруженни. Перечисленные дефекты необходимо учитывать при проектировании зубчатых передач и выборе для них марки стали.

Учет этих дефектов предусмотрен ГОСТ 21354—75 «Передачи зубчатые цилиндрические эвольвентные. Расчет на прочность». Приведем некоторые данные из указанного ГОСТа.

В ГОСТ 21354—75 даны следующие расчеты: на контактную выносливость; на контактную прочность при действии максимальной нагрузкой; на выносливость при изгибе; на малоцикловую выносливость при изгибе; на прочность при изгибе максимальной нагрузкой.

Данные о выборе сталей, термообработке, пределах контактной и изгибной выносливости для выполнения указанных видов расчетов приводятся в табл. 15—22.

1.2. Выбор сталей для поверхностной закалки с нагревом ТВЧ

До настоящего времени выбор сталей, упрочняемых поверхностной закалкой с нагревом ТВЧ, был весьма ограничен. В основном применялись среднеуглеродистые стали типа 40—45 либо 40Х, использование которых не всегда позволяло обеспечить высокую контактную прочность и износоустойчивость деталей. В этих случаях прибегали к выбору низкоуглеродистых сталей и применяли цементацию с последующей закалкой. Однако, если брать специальные стали с повышенным содержанием углерода и соблюдать технологию индукционной поверхностной закалки, можно получить те же свойства без цементации.

При индукционной закалке главными факторами, повышающими конструктивную прочность и служебные свойства деталей, являются: большое измельчение (в 10—100 раз) зерна аустенита и соответственно мартенсита по сравнению с величиной зерна после печкой термической обработки, создание благоприятной эпюры остаточных напряжений в поверхностных слоях (напряжения сжатия до 500—700 МПа).

В настоящее время применяются два принципиально отличных метода закалки индукционным нагревом: поверхностная закалка для конструкционных сталей типа 40, 45 и 45Х; объемно-поверхностная закалка (при глубинном индукционном нагреве) для сталей с регламентированной прокаливаемостью 58 (55ПП), 47ГТ, ШХ4РП. Второй метод обеспечивает более высокую конструктивную прочность, и поэтому его применяют для закалки тяжелонагруженных деталей, подвергаемых высоким изгибающим, крутящим и контактным нагрузкам, а также для закалки деталей сложной формы — зубчатых колес, крестовин, деталей подшипников качения.

ВЫБОР СТАЛИ ДЛЯ КРУПНЫХ ПОКОВОК

Поковки по механическим свойствам подразделяются на категории прочности. Категория прочности обозначается буквами КП с цифрами, соответствующими значению предела текучести после закалки и отпуска. Например, обозначение КП35 соответствует пределу текучести 350 МПа. Необходимо иметь в ввиду, что долговечность деталей в работе определяется не только категорией прочности, а совокупностью всех механических свойств и структурой металла, полученной после термообработки. Назначение основных марок сталей дано в табл 109.

Нужная сталь может быть ориентировочно выбрана по заданной категории прочности и размеру поковки (табл. 110). Окончательный выбор стали следует делать, найдя в соответствующем разделе данного справочника группу сталей с требуемыми свойствами.

МАГНИТОМЯГКИЕ СТАЛИ И СПЛАВЫ ДЛЯ ПРИБОРО-И ЭЛЕКТРОМАШИНОСТРОЕНИЯ

Выбор магнитных сталей и сплавов и их характеристика

Термины магнитомягкий и магнитотвердый не относятся к характеристике механических свойств материала. Существуют механически мягкие, но магнитотвердые материалы, и наоборот.

Магнитомягкие материалы, отличающиеся легкой намагничиваемостыо и перемагничиваемостью и характеризуемые узкой петлей гистерезисного цикла, используются дли самых разнообразных целей: для изготовления сердечников реле постоянного и переменного тока, электрических машин и измерительных приборов, сердечников дросселей и магнитных усилителей, магнитных экранов и т. д. Для того чтобы получать большие магнитные потоки при малой площади материалов (малой массе) рекомендуется применять магнитомягкие материалы с высокой магнитной проницаемостью и индукцией насыщения. Магнитомягкие материалы можно разделить на три группы:

1. сталь электротехническая тонколистовая и сортовая нелегированная (ГОСТ 3836—73 и 11036—75) (техническое железо).

2. сталь электротехническая кремнистая (ГОСТ 21427.0—75 до ГОСТ 21427.3—75 и ГОСТ 21427.4—78)

3.Сплавы прецизионные магнитомягкие (ГОСТ 10160—75 и 10994—74).
Для магнитопроводов на постоянном токе и невысоких технических частотах

(сердечники реле, трансформаторы, электрические машины) наиболее подходящими явлиются различные сорта нелегированных сталей и электротехнических сталей.

Малое удельное электросопротивление железа ограничивает его применение в мощных устройствах на переменном токе из-за роста потерь на вихревые токи с повышением частоты. Поэтому в переменных полях низкой частоты (примерно до 25 кГц) применяют электротехнические кремнистые стали, содержащие до 4,8% Si. Растворяясь в железе, кремний сильно искажает кристаллическую решетку и повышает электротехническое сопротивление. Например, при увеличении кремния до 4,8% сопротивление у сплава достигает 0,7 Ом- мм2/м, т. е. увеличивается в 7 раз по сравнению с железом.

В кремнистых сталях часто используется анизотропия магнитных свойств для создания текстурованной электротехнической стали. Например, в текстурованной стали для сплава с 4%Si в кристаллических ячейках зерна значения Ммакс по направлениям ребра куба, диагонали грани и диагонали куба относятся как 3:2: 1 . Это достигается холодной прокаткой, которая, поворачивая зерна, ориентирует их ребрами, т. е. направлениями легкой намагннчиваемости, таким образом повышаются магнитные свойства вдоль направления прокатки листа (ленты).

Для применения электротехнических кремнистых сталей на более высоких частотах рекомендуется выбирать листы толщиной до 0,1 мм и менее. Уменьшение толщины листа резко снижает потери на вихревые токи.

Для динамомашин часто выбирают кремнистые стали с содержанием кремния до 3%; для трансформаторов — от 3 до 4,8%.

Если изготовить сплавы с весьма малыми магнитострнкцией и магнитной анизотропией, то их проницаемость будет чрезвычайно велика. Это третья группа магнитомягких сплавов часто называется пермаллоями. сплавы этой группы применяются для работы в слабых полях.

Наиболее высокими значениями максимальной магнитной проницаемости обладает пермаллой, содержащий 78,5% Ni.

Пермаллои весьма чувствительны к деформациям (наклепу). Молибден (3—5%) уменьшает чувствительность к деформациям, медь (более 5%) повышает постоянство в определенных интервалах напряженности; хром (1—3%), кремний (1—2%), марганец (более 1%), а также и Молибден увеличивают электротехническое сопротивление, обеспечивая возможность использования пермаллоев в переменных полях. свойства пермаллоев существенно зависят от термообработки (табл.612—614). Наиболее высокую магнитную проницаемость сплавы получают при высокотемпературном нагреве в атмосфере водорода (для укрупнения зерна, удаления примесей углерода и устранения остаточных напряжений).

Использование термомагнитной обработки, когда охлаждение при термообработке ведется в продольном магнитном поле, позволяет получить очень высокую магнитную проницаемость. Эффективность магнитной обработки тем больше чем выше лежит точка Кюри сплава. Так, у сплава 68НМП при термообработке его в магнитном поле не менее 800 А/м для холоднокатаной ленты II класса магнитная проницаемость повышается до 750 мГн/м (табл. 613). сплавы этой группы рекомендуются для. изготовления сердечников магнитных усилителей

СПЛАВЫ С ВЫСОКИМ ЭЛЕКТРОСОПРОТИВЛЕНИЕМ ДЛЯ НАГРЕВАТЕЛЬНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ ПЕЧЕЙ, РЕОСТАТОВ И ТОЧНЫХ ПРИБОРОВ

Сплавы для электронагревательных элементов печей длительно работают на воздухе при высоких температурах (до 1000—1200 СС), поэтому должны обладать высоким удельным сопротивлением р и иметь высокую окалиностонкость. К таким сплавам относятся нихромы типа Х20Н80 и хромали 0Х23Ю5А.

При использовании сплавов для электроизмерительных приборов и образцовых резисторов помимо высокого удельного сопротивления требуются также высокая стабильность значения р во времени, малый температурный коэффициент электросопротивления и малый коэффициент термо-ЭДС в паре сплава с медью.

Например, манганин — широко применяемый для изготовления образцовых резисторов имеет температурный коэффициент электросопротивления весьма малый коэффициент термо-ЭДС в паре с медью всего лишь 1 мкВ/°С. Кроме того, для многих случаев применения требуется технологичность сплавов — возможность изготовления из них тонкой гибкой проволоки (до 0 0,02 мм). Желательно также, чтобы сплав был дешевым и не содержал дефицитных компонентов.