Стали и упрочняющая обработка для типовых деталей машин

Валы.

В зависимости от условий эксплуатации стойкость валов определяется усталостной прочностью при кручении и изгибе, контактной прочностью или износостойкостью.

Малонагруженные медленно вращающиеся валы изготовляют из сталей 35, 40, 45 и Ст.3, Ст.4, Ст.5 без термической обработки.
Если работоспособность валов зависит от прочности на изгиб и кручение (не зависит от контактной выносливости и износостойкости), то
– средненагруженные валы (до 80–100 мм) изготовляют из сталей 45, 40Х, 50Х с улучшением (σв = 800–1000 МПа; НВ 217–285);
– высоконагруженные валы (Ø 100–130 мм) – из хромоникелевых и хромомолибденовых глубоко прокаливающихся сталей 50ХН, 40ХНМА, 34ХНЗМА с улучшением (σв ³ 1000 МПа);
– особо ответственные (в турбо- и компрессоростроении) – из еще более легированных 30ХН2ВФА, 36ХНТМФА, З8ХН3МФА, 30Х2НВФА с улучшением.
Валы небольших размеров (гладкие, ступенчатые, шлицевые), работоспособность которых зависит от контактной выносливости и износостойкости (с поверхностной твердостью НRС 48–50) изготовляют из сталей 45, 50 с поверхностной закалкой ТВЧ или с улучшением и поверхностной закалкой и самоотпуском.
Валы покрупнее – из более прокаливающихся сталей 40Х, 40ХГТ с улучшением и поверхностной закалкой ТВЧ с самоотпуском.
Валы быстроходные и более износостойкие (НRС 56–58) – из 20Х, 18ГТ, I2XH3A (иногда 35Х2ГНТА) с цементацией, закалкой и низким отпуском.
Особо высоким сопротивлением изнашиванию обладают валы из стали 38ХМЮА после улучшения и азотирования.
 
Шестерни, зубчатые колеса.
Шестерни и зубчатые колеса наиболее часто выходят из строя из-за контактного усталостного разрушения, торцового износа, заедания зубьев и их поломки при кратковременных перегрузках. Поэтому материал для них должен обеспечивать высокую поверхностную износостойкость, достаточную статистическую усталостную прочность при изгибе и контактном нагружении и подбираться, исходя из габаритов и конструкции шестерни, а также условий эксплуатации.
Указанным требованиям наиболее соответствуют цементуемые (нитроцементуемые) легированные стали, у которых после термообработки структура:
– поверхностного слоя – мартенсит отпуска;
– сердцевины – феррито-цементитные смеси различной дисперсности, бейнит или низкоуглеродистый отпущенный мартенсит.
Выбор марки стали и метода ее упрочнения для шестерен производят в зависимости от степени их нагруженности:
– мало- и средненагруженные зубчатые колеса – коробки передач, редукторов, задних мостов изготовляют:
1) из безникелевых сталей – 20Х, 18ХГТ, 25ХГТ, 30ХГТ, 20ХГР;
2) из малоникелевых – 20ХГНМ, 19ХГН, 20ХНМ, 20ХНР, 20ХГНР сталей;
– тяжелонагруженные, например, большегрузных автомобилей - из более легированных сталей – 12ХН3А, 20ХНЗА, 15ХГН2ТА, 15Х2ГНТРА, 20ХГН2ТА, 25Х2ГНТА.
Упрочняющая обработка шестерен включает:
– цементацию (нитроцементецию) при 900–930°С;
– закалку от 800–850°С в масле;
– низкий отпуск при 170–200°С.
Толщина упрочненного слоя обычно принимается равной 0,15 толщины зуба по начальной окружности (0,18–0,27m, m – модуль колеса, но не более 1,8 мм).
Твердость поверхности HRC 59–63 – для обеспечения высокой контактной выносливости и износостойкости без хрупкого разрушения.
Твердость сердцевины зубьев обычно HRC 30–42, c ее повышением возрастает предел прочности и выносливости при изгибе и контактная выносливость зубчатых колес.
Твердость сердцевины:
– более HRC 42–45 увеличивает опасность хрупкого разрушения;
– пониженная – способствует развитию пластической деформации в теле зуба и, следовательно, разрушению упрочненного слоя.
Мало- и средненагруженные шестерни можно изготовлять:
– в единичном и мелкосерийном производстве из улучшаемых сталей 40, 45, 50Г, 40Х, 30ХГС, 50Х, 50ХН с закалкой ТВЧ по контуру зубчатого венца;
– шестерни больших диаметров – изготовлять литыми из сталей 35Л–50Л, 40ХЛ, 30ХГСА с нормализацией и высоким отпуском (для легированных сталей).
 
Нормали.
Нормали – болты, винты, гайки, шпильки изготовляют из улучшаемых углеродистых и легированных сталей.
Разрушение их в конструкциях бывает вязким (из-за низкой прочности в нетермообработанном состоянии или при недостаточной твердости) и хрупким, наиболее опасным, (из-за высокой твердости или поверхностного наклепа, не снятого рекристаллизационным отжигом).
Установлено, что максимальной хрупкой прочности соответствует твердость HRC 30–35. Поэтому детали крепежа, работающие без высоких напряжений, изготовляют из сталей 40, 40Х, 30ХГС нормализованными (HRC 25–30); испытывающие высокие и сложные напряжения – из 40Х, 40ХН, 40ХНМА улучшенными или нормализованными (HRC 30–35).
Крепежные детали, получаемые холодной высадкой, нормализуют (880–900°С) для снятия наклепа.
 
Пружины, рессоры.
Рессоры и пружины должны обладать высоким пределом упругости и сопротивлением усталости, в них не допустима пластическая деформация и, следовательно, не нужна высокая ударная вязкость и пластичность.
Поэтому их изготовляют из специальных рессорно-пружинных сталей, главное свойство которых – высокий предел упругости (текучести) для углеродистых ³800 МПа, а для легированных – ³1000 МПа при пластичности δ = 5%,ψ = 20–25%.
Повышенные значения предела упругости этих сталей достигаются закалкой и средним отпуском (400–500°С) на троостит.
Для изготовления рессор и пружин необходимо выбирать сталь, состав которой обеспечивает сквозную прокаливаемость изделия и структуру троостита по всему сечению.
Поэтому пружины небольших сечений, испытывающие невысокие напряжения, изготовляют из углеродистых сталей 65, 70, 75, 85 с закалкой в масле; пружины больших сечений (до 5–8 мм) – с закалкой в воде и средним отпуском; крупные и высоконагруженные пружины и рессоры (пружины валов, автомобильные рессоры, торсионные валы) изготовляют из кремнистых сталей 55С2, 60С2А, 70СЗА и более легированных – 50ХГА, 50ХГФА, 60С2ХФА, 65С2ВА, 60С2Н2А, термическая обработка которых состоит из закалки (800–650°С) в масле или воде и отпуска (400–500°С) на троостит (HRC 35–45, σв = 1300–1600 МПа).
Нередко пружины изготовляют из патентированной холоднотянутой проволоки и ленты из сталей 65, 65Г, 70, высокие механические свойства которых достигаются патентированием и последующим протягиванием (степень деформации ³ 70%).
Патентирование – нагрев выше Ас3 на 150–200°С и быстрое охлаждение при 450–550°С – относится к отжигу 2-го рода и является разновидностью изотермической обработки. Структура по выходе из ванны – дисперсная феррито-цементитная смесь, называемая сорбитом патентирования или трооститом.
Кроме патентированных сталей, используют также углеродистые инструментальные У7, У8, У9, У10 в виде холоднотянутой проволоки (серебрянки). Наклеп (нагартовка) их холодным протягиванием создает высокую твердость и упругость. Патентируют и протягивают ленту и проволоку на металлургических заводах, а на машиностроительных производят только навивку пружин и отпуск (250–350°С) для снятия напряжений.