1.1.4 Выбор материала заготовки

Конкретные материалы по выбору рациональных способов получения заготовок приведены в справочниках.

В табл. 1.3 приведены некоторые рекомендации по выбору материала заготовки.

Таблица 1.3

В большинстве случаев вязкие, пластичные материалы дают после механической обработки повышенную шероховатость поверхности и, наоборот, при повышенной твердости шероховатость меньше при некотором повышении сопротивления резанию.

В связи с этим необходимо учитывать следующее:

• в деталях из углеродистых сталей с содержанием углерода до 0,3 % (Ст2, СтЗ, 08кп, 20) не рекомендуется назначать шероховатость меньше Ra = 6,3 мкм;

• среднеуглеродистые стали (35,40, 45, 50) лучше всего обрабатывать после улучшения до НRС_э = 25...30;

• высокоуглеродистые стали (У8, У10, У12) хорошо обрабатываются в отожженном состоянии;

• детали из алюминиевых сплавов для улучшения обрабатываемости подвергают закалке и старению.

При рассмотрении технологических свойств материалов, обрабатываемых резанием, учитывается коэффициент обрабатываемости данного материала быстрорежущим или твердосплавным резцом по отношению к эталонному материалу [12]. Этот коэффициент рассчитывается по следующей формуле:

где — скорость резания при 60-минутной стойкости и определенных условиях резания при 60-минутной стойкости резцов рассматриваемого материала; — скорость резания при 60-минутной стойкости резцов в случае обработки эталонного материала.

В табл. 1.4 приведены коэффициенты обрабатываемости резанием различных конструкционных материалов. За эталонную принята сталь 45 с _в=650 МПа, 179 НВ; эталонная скорость резания при получистовом точении этой стали твердосплавными резцами 135 м/мин при 60-минутной стойкости, эталонная скорость резания при точении резцами из быстрорежущей стали Р18 — 75 м/мин при 60-минутной стойкости.

Абсолютное значение скорости резания при 60-минутной стойкости любой стали, отличной от эталонной, равно = *K_v,. Например, для стали с K_v = 0,8 =135*0,8=108 м/мин; для стали с K_v = 0,1 =72*0,1= 7,2 м/мин. Коэффициент обрабатываемости при точении можно применить для выбора скорости резания и при других видах обработки.

В нормативных документах обрабатываемые материалы группируются по группам обрабатываемости, последние — по видам обработки. Например, при протяжных работах группы обрабатываемости конструкционных материалов отличаются от групп обрабатываемости, существующих в нормативах, которые носят отраслевой характер и основаны на особенностях производства для определенной отрасли.

В табл. 1.4 приведены укрупненные значения коэффициентов обрабатываемости без учета особенностей эксплуатации в условиях каждой подотрасли, без разделения материалов на группы обрабатываемости.

При выборе марки стали для данной детали необходимо обеспечение, в первую очередь, прочности, надежности и долговечности детали, экономия металла с учетом специфических условий службы детали (температура, среда, характер действующих нагрузок и т. п.).

Таблица 1.4

Коэффициенты обрабатываемости резанием различных материалов

Продолжение табл. 1.4

Прежде всего необходимо выяснить характер действующих сил. Если деталь испытывает напряжения, растяжения или сжатия, которые равномерно распределены по сечению, то закалка должна обес­печить сквозную прокаливаемость. Поэтому с увеличением сечения детали должна увеличиваться степень легирования стали.

В табл. 1.5 приведены значения критического диаметра прокаливаемости D_к (95 % мартенсита) сталей в зависимости от легирования.

Таблица 1.5

Значения критического диаметра D_к прокаливаемости

Например, для изготовления детали диаметром 30 мм можно рекомендовать сталь 40Х (или другую сталь, имеющую такую же прокаливаемость), закаленную в воде, но если деталь сложная и охлаждение в воде приведет к короблению и трещинам, то вместо воды следует применять масло, а вместо стали 40Х —сталь 40ХН.

Если деталь испытывает изгибающие или крутящие нагрузки, то прокаливаемость не имеет столь важного значения. В этом случае можно выбрать ряд сталей:

— углеродистые и легированные стали с содержанием углерода 0,2 % — цементуемые

• легированные стали с содержанием углерода 0,4 % — азотируемые;

• углеродистые и низколегированные стали с содержанием углерода 0,4 — 0,5 % — для поверхностной закалки.

При сложно-напряженном состоянии (наиболее частый случай в современном машиностроении) сердцевина детали может испытывать значительные напряжения. В этом случае к металлу сердцевины предъявляются требования по прочности.

В табл. 1.6 приведены структура и свойства сердцевины детали диаметром 20 мм после цементации и закалки и низкого отпуска.

Таблица 1.6

Структура и свойства сердцевины детали

При выборе материала для деталей необходимо учитывать и экономическую сторону. Чем более легирована сталь, тем она дороже. Основные назначения легирующих элементов — увеличение прокаливаемости, т. е. получение высокого комплекса механических свойств в крупных сечениях. Поэтому легирование стали следует применять для деталей крупных сечений.

Наиболее дефицитными элементами, применяемыми для легирования конструкционных сталей, являются никель и молибден. Эти элементы увеличивают прокаливаемость, так же, как и другие менее дефицитные (хром, марганец). Никель понижает порог хладноломкости, вследствие чего сталь становится более надежной. Молибден устраняет охрупчивание стали при высокотемпературном отпуске.

При назначении марки стали для деталей следует также учитывать способ ее металлургического производства.

Поэтому при выборе марки стали необходимо решить, что в данном конкретном случае более целесообразно применить сталь более высокой чистоты и удовлетвориться свойствами металла, полученными в состоянии поставки или после простейшей термической обработки (нормализации), или ориентироваться на термическое улучшение (закалка плюс соответствующий отпуск). При назначении режима термический обработки необходимо выбирать наиболее производительные и экономические способы, но обеспечивающие получение оптимальных, наилучших свойств.

Пример решения типовой задачи.

Задача. Необходимо изготовить вал двигателя диаметром 75 мм, работающего с вибрациями; сталь в готовом изделии должна иметь предел прочности не ниже 800 МПа, ударную вязкость не ниже 60 Дж/см². Подобрать необходимую марку стали, рекомендовать режим термической обработки, привести механические свойства и микроструктуру стали в готовом изделии.

Решение. Для изготовления изделий подобного назначения можно использовать сталь углеродистую качественную конструкционную (ГОСТ 1050 — 84) или сталь легированную конструкционную (ГОСТ 4543 — 81) с содержанием углерода 0,4...0,45%.

Вначале примем сталь углеродистую качественную. Сталь 45 в состоянии поставки или после нормализации имеет предел прочности при растяжении 610 МПа, ударную вязкость 30 Дж/см² ,что не удовлетворяет требованиям прочности и вязкости для материала вала.

Для повышения прочности конструкционной стали 45 можно применить закалку и высокий отпуск. Для этой стали после закалки и отпуска с нагревом до 500° ударная вязкость повышается до 60 Дж/см², а предел прочности до 750.. .850 МПа. После закал­ки (с охлаждением в воде) углеродистая сталь 45 получает структуру мартенсита. Однако вследствие небольшой прокаливаемости углеродистой стали эта структура в изделиях диаметром более 20...25 мм образуется только в сравнительно тонком поверхностном слое (толщиной до 2...4 мм).

В следующем слое аустенит в процессе охлаждения при закалке распадается от тростита или сорбита, а в середине изделия аустенит распадается с образованием структуры феррит плюс перлит. Чем больше сечение изделия, тем относительно больше масса металла, получающего структуру перлит и феррит и не воспринимающего, следовательно, закалку.

Последующий отпуск будет способствовать превращению мартенсита и тростита в сорбит в тонком поверхностном слое, но не воздействует на структуру и свойства перлита и феррита в основной массе изделия.

Таким образом, вал диаметром 75 мм, изготовленный из углеродистой стали, не будет иметь одинаковых свойств по сечению: они будут выше в тонком поверхностном слое и ниже в сердцевине. Хотя в работе основные нагрузки будут воспринимать поверхностные слои вала, надо учитывать и следующее:

1. чем больше сечение вала, тем тоньше (2...4 мм) поверхностный слой со структурой сорбита;

2. часть поверхностного слоя будет снята при окончательной чистовой обработке вала на станке, выполняемой после закалки и отпуска. Поэтому для изготовления вала сталь 45 не пригодна.

Рассмотрим сталь~45ХН. Сталь легирована никелем и хромом, т. е. элементами, повышающими прокаливаел(юсть. Эта сталь получает после закалки достаточно одно­родную структуру и механические свойства и прокаливается в сечении диаметром до 80 мм. Следовательно, при изготовлении вала диаметром 75 мм из стали 45ХН может быть обеспечена сплошная прокаливаемость по сечению.

Режим термической обработки стали 45ХН таков:

1. Закалка — нагрев до 830...850° С и охлаждение в масле.

При закалке вала из стали 45ХН с охлаждением в масле (а не в воде, как это требуется для углеродистой стали) возникают меньшие остаточные напряжения, а следовательно, и меньшая деформация. Структура стали после закалки — мартенсит; твер­дость HRC не ниже 56.

2. Отпуск — с нагревом до 550...580° С. Для предупреждения отпускной хрупкости вал после отпуска следует охлаждать в масле или в воде. Структура стали после отпуска — сорбит.

Механические свойства стали 45ХН в изделии диаметром 75 мм после указанной термической обработки представлены в табл. 1.7.

Таблица 1.7

Механические свойства стали 45ХН после ТО