9.Термическая обработка углеродистых конструкционных сталей(изделия типа вал, шестерня).

Конструкционные стали предназначены для изготовления деталей машин и конструкций, испытывающих при работе высокие механические напряжения и ударные нагрузки. Для обеспечения эксплуатационной надежности и долговечности деталей эти стали должны обладать наилучшим сочетанием достаточно высоких прочностных (σ_в, σ_0,2) и пластических свойств (δ, ψ), включая необходимый уровень вязкости. Требуемое сочетание свойств обеспечивается в сталях, содержащих 0,3…0,5 % С, после закалки с высоким отпуском.

По термической обработке конструкционные стали (рис. 7.3) разделяются на: цементуемые(термообработка после цементации «закалка + низкий отпуск»), улучшаемые(термообработка «закалка + высокий отпуск»). Особую группу составляют пружинные стали (термообработка «закалка + средний отпуск»).

 Охлаждение при закалке для деталей из углеродистых малолегированных сталей проводится в воде (лучше в растворах NaOH) (рис. 7.4, а). Охлаждение сталей с повышенной прокаливаемостью, как правило, осуществляется в масле (рис. 7.4, б). Для некоторых сталей мартенситного класса полная прокаливаемость может быть достигнута и при охлаждении на воздухе. Для сталей, склонных к обратимой хрупкости, рекомендуется повышенная скорость охлаждения при высоких температурах отпуска.

К цементуемым относятся малоуглеродистые стали с содержанием углерода до 0,25 % (рис. 7.5). Эти стали используются для изготовления деталей, которые в процессе работы подвергаются интенсивному изнашиванию и от которых требуются высокие механические свойства (сопротивление статическим, динамическим нагрузкам или усталости). Для усиления прочностных свойств повышают содержание углерода в цементуемых сталях до 0,28 – 0,3 %. Для достижения требуемых свойств детали из этих сталей подвергают также цианированию или нитроцементации.

Цементуемые стали наиболее широко используют для изготовления шестерен, так как высокая твердость в поверхностном слое повышает усталостную прочность зубьев и уменьшает осповидный износ (питтинг).

 Сущность осповидного износа заключается в образовании в поверхностном слое усталостных микротрещин от циклического действия нагрузки при работе. 

Постепенно от поверхности зуба отделяются небольшие чешуйки металла и образуются оспины (язвы). Чем выше твердость поверхностного слоя и предел текучести сердцевины зуба, тем выше контактная выносливость и общая усталостная прочность зубьев шестерни. Чтобы избежать поломки зубьев шестерен, твердость сердцевины зуба должна быть 30…40 HRC (рис. 7.6).

В условиях массового производства нитроцементация малоуглеродистых сталей и карбонитрирование повышенно-легированных сталей имеют преимущества перед простой цементацией.

Улучшаемыми углеродистыми сталями являются углеродистые и легированные стали с содержанием углерода 0,3 – 0,5 %.

Улучшаемые стали условно разбиты на пять групп.

К первой группе относятся углеродистые стали. Ввиду малой прокаливаемости высокие механические свойства при использовании этих сталей достигаются в деталях малого сечения (до 10 мм) при закалке в воде. Стали этой группы используют также в нормализованном состоянии.

Ко второй группе отнесены стали, легированные преимущественно хромом или хромом и бором (для увеличения прокаливаемости). Эти стали имеют несколько более высокую прокаливаемость и примерно одинаковый с углеродистыми сталями уровень сопротивления хрупкому разрушению.

Для повышения прокаливаемости хромистые стали подвергаются дополнительному легированию марганцем, хромом, молибденом (стали 40ХГ, 40ХГР, 30ХГС, 30ХМ, 30ХГТ), примеси титана измельчают зерно. Эти стали относятся к третьей группе. Стали, легированные марганцем, имеют пониженный запас вязкости (более высокий порог хладноломкости).

К четвертой группе относятся стали, в состав которых входит 1 – 1,5 % Ni. Эти стали имеют повышенную прокаливаемость, низкое значение температуры хладноломкости и повышенную конструкционную прочность. Их рекомендуют для деталей сечением 40 – 70 мм.

Стали пятой группы имеют 2 – 3 % Ni и дополнительно легированы молибденом, вольфрамом для уменьшения обратимой отпускной хрупкости при высоком отпуске. Стали имеют высокую прокаливаемость и рекомендуются для деталей сечением 40 – 70 мм.