Выбор марки стали для детали
4. Обоснование, назначение и графическое изображение режимов термической обработки
Термическая обработка представляет собой совокупность операций нагрева, выдержки и охлаждения, выполняемых в определенной последовательности при определенных режимах, с целью изменения внутреннего строения сплава и получения нужных свойств (представляется в виде графика в осях температура - время, см. рис. 4).
Рисунок 8 - Графики различных видов термообработки: отжига (1, 1а), закалки (2, 2а), отпуска (3), нормализации (4)
Стали 40, 40Х, 40ХФА являются доэвтектоидными конструкционными сталью. Температура нагрева при закалке выбирается в этом случае на 50 …700С выше критической точки Ас3, т.е.
tн = Ас3 + (50 …70) 0С = 800 0С + 60 0С = 860 0С.
Для получения мартенситной структуры при закалке стали её необходимо охлаждать со скоростью не меньшей, чем критическая скорость закалки (Vохл. ? Vкр.). Значение Vкр. определим, воспользовавшись диаграммой изотермического превращения переохлаждённого аустенита.
В качестве закалочной среды следует применить минеральное машинное масло, в котором скорость охлаждения в интервале температур наименьшей устойчивости переохлаждённого аустенита (650 …5500С) составляет примерно 1500/с, что больше Vкр. данной стали. В нижнем, мартенситном интервале температур масло охлаждает с небольшой скоростью (20… 300/с) [2], что уменьшает вероятность образования закалочных дефектов. После закалки структура стали по всему сечению червячного вала состоит из мартенсита и ~ 3 …5 % остаточного аустенита.
Для получения требуемых механических свойств и уменьшения внутренних напряжений, возникших при закалке, сталь подвергают отпуску. С повышением температуры отпуска прочностные свойства конструкционной стали уменьшаются, а её пластичность и вязкость возрастают.
Термическая обработка стали 40:
1) Закалка 845 С, вода.
2) Отпуск 550 С.
Таблица 23 - Предел выносливости после термической обработки
-1, МПа |
B, МПа |
0,2, МПа |
|
393 |
750 |
600 |
Таким образом, для изготовления вала диаметром 35 мм может подойти сталь марки 40.
Термическая обработка стали 40Х:
1) Закалка 840-860 °С, вода, масло.
2) Отпуск 600 °С, вода, воздух.
Таблица 24 - Механические свойства стали 40Х после термической обработки
0,2, МПа |
B, МПа |
5, % |
, % |
KCU, Дж/м2 |
HB |
|
720 |
860 |
14 |
60 |
147 |
265 |
Для изготовления вала диаметром 120мм может подойти сталь 40Х после соответствующей термической обработки.
Термическая обработка стали 40ХФА:
1) Закалка 850 °С, вода.
2) Отпуск 600 °С, воздух.
Для стали 40ХФА выбрана термическая обработка, состоящая из закалки с последующим высоким отпуском. Температура и продолжительность закалки: доэвтектойдные стали нагревают под закалку до температуры на 30..50 °С выше температуры АС3. Для данной стали температура нагрева под закалку составляет 830..850 °С. Исходная структура стали феррита+перлит при нагреве стали до температуры закалки (выше А3) и выдержки при этой температуры превращается в аустенит. Продолжительность выдержки при температуре аустенизации должна обеспечить прогрев детали по сечению и завершение фазовых превращений, но не более. Иначе будет происходить нежелательный рост зерна, что в последующем приведет к охрупчиванию материала.
Исходя из сказанного, продолжительность прогрева детали из данного материала выбирают следующим образом: на 1мм поперечного сечения детали -- 45-75 сек в электропечах и 15-25 сек в соляной ванне (это чтобы прогреть деталь) + 15..20 % от продолжительности прогрева детали. Выбранный режим нагрева должен обеспечить полное превращение исходной феррито-перлитной структуры в аустенит. Последующее охлаждение материала произведем в масле, чтобы обеспечить скорость охлаждения больше, чем vкр (наименьшая скорость охлаждения, при которой аустенит превращается в мартенсит, т.е. в структуру закаленной стали). При скоростях охлаждения меньше vкр в углеродистой стали протекает только диффузионные процессы распада аустенита с образованием феррито-перлитной структуры различной степени дисперсности (перлит, сорбит, тростит). При высоких скоростях охлаждения (выше vкр) диффузионный распад аустенита подавляется -- аустенит претерпевает только мартенситное превращение. Мартенсит представляет собой пересыщенный твердый раствор внедрения углерода в Fea. Как правило, при закалке не весь аустенит превращается в мартенсит, и структура закаленной стали представляет собой мартенсит и остаточный аустенит.
Образование в результате закалки мартенсита приведет к большим остаточным напряжениям, повышению твердости, прочности, однако резко возрастает склонность материала к хрупкому разрушению, особенно при динамических нагрузках. В связи с этим проводится окончательная операция термической обработки -- высокотемпературный отпуск, при котором снимаются остаточные напряжения и обеспечиваются необходимые механические свойства материала.
Отпуск заключается в нагреве до температуры ниже АС1 , выдержке при заданной температуре и последующем охлаждении с определенной скоростью. Режим отпуска Т=650 °С в течение 1-6 часов в зависимости от габаритов изделия. Охлаждающая среда -- масло. Структура стали после высокого отпуска -- сорбит отпуска. Высокий отпуск следует наилучшее соотношение прочности и вязкости.
Указанный комплекс механических свойств обеспечит заданную работоспособность валов.