2 ВЫБОР И ОБОСНОВАНИЕ МАРКИ СТАЛИ

Марка стали для производства рассматриваемого зубчатого колеса должна обладать достаточно высокой прокаливаемостью и закаливаемостью, хорошей обрабатываемостью резанием и высокой твердостью зубьев после химико-термической обработки.

Значения механических свойств некоторых цементуемых сталей и их критические диаметры представлены в таблицах 2.1 и 2.2 соответственно.

Таблица 2.1 - Механические свойства некоторых конструкционных легированных сталей после химико-термической обработки [2]

Таблица 2.2 - Критический диаметр для 90% мартенсита, мм* [2]

*значения критических диаметров приведены после термической обработки, заключающейся в закалке с 880-900єС.

Из приведенных данных в таблицах 2.1 и 2.2 видно, что сталь 18ХГ не соответствует требованиям по твердости поверхности, что может привести к преждевременному выходу из строя изделия.

Стали 18ХГТ и 30ХГТ соответствуют по прокаливаемости и твердости поверхности зубьев. Однако, сталь 30ХГТ имеет более высокую твердость сердцевины и, как следствие, более низкую вязкость (сердцевины), что является убыточным свойством для данной шестерни, поскольку может привести к поломке детали. Наиболее оптимальным материалом, для изготовления заданной шестерни, является сталь 18ХГТ. Данная сталь полностью соответствует требованиям, предъявляемым к изделию, а также является экономически выгодной, в виду более низкого содержания углерода (в сравнении со сталью 30ХГТ) и большей распространенности данной стали.

Химический состав, механические свойства и температуры критических точек представлены в таблицах 2.3-2.4.

Таблица 2.3 - Химический состав стали 18ХГТ, % (ГОСТ 4543) [2]

Таблица 2.4 - Температуры критических точек стали 18ХГТ, єС [2]

Сталь 18ХГТ относится к группе наследственно мелкозернистых сталей (табл. 2.5), что существенно упрощает проведение химико-термической обработки, позволяя производить закалку с цементационного нагрева. Наличие такого легирующего элемента, как титан, снижает степень роста зерна при нагреве.

Таблица 2.5 - Влияние температуры нагрева в течении 3ч на рост зерна стали 18ХГТ [3]

Зубчатое колесо из стали 18ХГТ подвергается цементации, а уже после цементации проводится закалка. Содержание углерода в поверхностном слое после насыщения должно составлять 0,8-1,0% углерода. При меньшем уровне снижается контактная выносливость стали, при более высоком содержании возрастает хрупкость и снижается усталостная прочность изделий. Оптимальная структура поверхностного слоя - мелкоигольчатый мартенсит с небольшими равномерно распределенными изолированными участками остаточного аустенита. Структура сердцевины должна состоять из нижнего бейнита.

На рисунке 2.1 представлена диаграмма изотермического превращения аустенита цементованной стали 18ХГТ. С её помощью определим критическую скорость охлаждения для поверхности (0,8-1,0 мм). Она соответствует 18єС/с. На поверхности изделия, для получения 100% мартенсита скорость охлаждения должна превышать критическую скорость. Чтобы обеспечить необходимую скорость охлаждения, в качестве охлаждающей среды подойдет масло.

Рисунок 2.1 - Диаграмма распада переохлажденного аустенита цементованной стали 18ХГТ (с содержание углерода в поверхности 0,95%) [5]

После закалки изделие необходимо подвергнуть отпуску для снятия внутренних напряжений, но без существенного понижения твердости. На рисунке 2.3 приведено влияние температуры отпуска на твердость сердцевины цементованного зубчатого колеса из стали 18ХГТ.

Рисунок 2.2 - Влияние температуры отпуска на твердость закаленной стали 18ХГТ [2]

Как видно из графика на рисунке 2.2 требуемая твердость сердцевины достигается при температуре отпуска в интервале 200-300єС, а при дальнейшем повышении температуры твердость понижается. Принимаем температуру для отпуска равной 200-220єС, поскольку при данной температуре получаем наиболее стабильный уровень механических свойств.