Занятие 2

Шестерни подвергаются действию знакопеременных и ударных нагрузок и должны иметь максимально однородные свойства в продольном и поперечном направлениях. Их изготавливают в зависимости от типа двигателя из стали с временным сопротивлением растяжению σВ = 700 – 750 МПа и σВ = 900…950 МПа. Ударная вязкость (КСU) в обоих случаях должна быть не ниже 700…800 кДж/м2.
Выбрать сталь для шестерен обоих типов, привести состав, марку, режим термической обработки, микроструктуру и механические свойства в готовом изделии. Указать последовательность операций ее изготовления, начиная с получения стали на машиностроительном заводе. Рекомендовать операцию, позволяющую создать в стали однородное строение, а следовательно, и однородные свойства в продольном и поперечное направлениях.

Для того, чтобы правильно найти и выбрать материал необходимо оценить эксплуатационные, технические, технологические и экономические требования. Главным критерием выбора являются эксплуатационные характеристики. В зависимости от условий выполняемой работы и назначения шестерни должны обладать высокой износостойкостью рабочих поверхностей зубьев, бесшумностью и плавностью работы, точностью передачи движений, достаточным коэффициентом полезного действия, высокой усталостной прочностью зубьев.
В процессе работы зубья подвергаются действию изгибных нагрузок, вызывающих излом ножки зуба. Поверхность зубьев подвергается действию относительно больших контактных давлений и истиранию, приводящих к выкрашиванию и износу. Для улучшения эксплуатационных свойств рабочие поверхности зубьев стали должны иметь высокую поверхностную твердость при относительно вязкой и пластичной сердцевине, обеспечивающей повышенную прочность при циклических и ударных нагрузках.
Характер технологического процесса обработки шестерен зависит от требуемой точности, качества поверхности и термической обработки зубчатого колеса. Технологический процесс изготовления шестерни можно разделить на четыре основных этапа: 1) черновая и чистовая обработка заготовки; 2) нарезание зубьев; 3) термическая обработка; 4) отделочные и доводочные операции после термической обработки.
Шестерни изготовляются из поковок и штамповок на станках патронного типа с предварительной обработкой отверстия. Это значит, что материал должен обладать хорошими литейными свойствами и хорошо поддаваться обработке давлением. Основная цель термической обработки шестерен состоит в обеспечении твердой, износостойкой поверхности зуба при сохранении мягкой и вязкой сердцевины для восприятия ударных нагрузок.
При выборе стали для изготовления шестерен необходимо учитывать ее стоимость, обрабатываемость, прокаливаемость и деформацию при термической обработке. Так как основным элементом шестерен является зуб, применяемые стали и методы упрочнения должны обеспечивать высокую контактную и усталостную прочность, прочность при изгибе, ударе и износостойкость зуба.
Для шестерен из стали с временным сопротивлением растяжению σВ = 700 – 750 МПа выберем легированную сталь 40ХН.
Химический состав стали 40ХН
C Si Mn Ni
S P Cr
Cu
0,36 – 0,44 0,17 – 0,37 0,5 – 0,8 1 – 1,4 до 0,035 до 0,035 0,45 – 0,75 до 0,3

Хром является одним из наиболее универсальных и широко применяемых легирующих элементов. Хром усиливает действие углерода, повышает твердость, стойкость к износу, расширяет предел упругости, увеличивает прочность на разрыв и прокаливаемость.
Никель увеличивает ударную прочность, предел упругости и прочность стали на разрыв. Прочная и вязкая поверхность никелевых сталей обеспечивает высокую стойкость к усталости и износу. Никелевые стали хорошо подвергаются цементации, никель уменьшает деформацию и обеспечивает хорошие свойства сердцевины.
Применение легированной стали 40ХН без термообработки недопустимо. Легированные стали закаливают при температуре 830 – 850° С с охлаждением в масле с последующим низким отпуском. Получаемая в закаленном слое микроструктура мелкоигольчатого мартенсита отпуска обеспечивает его высокие твердость и износостойкость. Сталь 40ХН невысокой прокаливаемости. После термообработки возможно коробление, поэтому для шестерни из этой стали необходима шлифовка зубьев по профилю для устранения коробления.

После термообработки сталь 40ХН имеет свойства:
Предел прочности, σв, МПа
Предел текучести, σт, МПА Относительное удлинение, δS
Относительное сужение, ψ
Ударная вязкость
750 550 11 45 69

Для изготовления шестерни с σВ = 900…950 МПа выберем сталь 18ХГТ.
Эта марка стали относится к группе легированных конструкционных сталей, с повышенной прочностью и износостойкостью.
Химический состав стали 18ХГТ
C Si
Mn
S P Cr
Ni
Ti
Cu
0,16 – 0,18 0,17 – 0,37 0,80 – 1,10 ≤ 0,035 ≤ 0,035 1,00 -1,30 ≤ 0,30 0,03 – 0,09 ≤ 0,30

Хром является легирующим элементом, он широко применяется для легирования. Содержание его в конструкционных сталях составляет 0,7 – 1,1%. Присадка хрома, образующего карбиды, обеспечивает высокую твердость и прочность стали. После цементации и закалки получается твердая и износоустойчивая поверхность и повышенная по сравнению с углеродистой сталью прочностью сердцевины. Хромистые стали с низким содержанием углерода подвергают цементации с последующей термической обработкой. Хромистые стали имеют хорошую прокаливаемость.
Сталь 18ХГТ подвергается двойной закалке. Первая закалка проводится при температуре 880 – 950° С с остыванием на воздухе, вторая закалка – при температуре 850° С. После этого проводят низкий отпуск при температуре 200° С. Остывание проводят на спокойном воздухе.
Для того, чтобы повысить износостойкость и твердость поверхности проводят химико-термическую обработку – цементацию. После цементации при температуре 920 – 950° С, закалки при температуре 840 – 850° С в масло и последующего низкого отпуска при температуре 180 – 200° С на воздухе получается твердая и износоустойчивая поверхность и повышенная по сравнению с углеродистой сталью прочностью сердцевины. Хромистые стали с низким содержанием углерода подвергают цементации с последующей термической обработкой. Хромистые стали имеют хорошую прокаливаемость.
После термообработки сталь 18ХГТ имеет свойства:
Предел прочности, σв, МПа
Предел текучести, σт, МПА Относительное удлинение, δS
Относительное сужение, ψ
Ударная вязкость
980 550 9 50 78

Занятие 3

Детали холодильных машин во избежание хрупкого разрушения изготовляют из сталей и сплавов с пониженным порогом хладноломкости и соответственно повышенной вязкостью при низких температурах. Рекомендовать состав стали для деталей холодильных машин, работающих при температурах от -70 °С и до -259 °С (в среде жидкого водорода). Объяснить, какие различия в структуре, а, следовательно, и в составе должны быть между этими сталями.

Развитие холодильной и криогенной техники обусловлено созданием материалов, пригодных для работы при низких температуpax. В настоящее время сталь остается основным материалом для изготовления механизмов, машин и конструкций, работающих в этих условиях. Стали для холодильных машин должны обеспечивать необходимую прочность в сочетании с высокой вязкостью и пластичностью, обладать малой чувствительностью к концентрации напряжений и низкой склонностью к хрупкому разрушению. Учитывая технологию изготовления изделий, работающих при низких температурах, такие стали должны обладать хорошей свариваемостью. Важной характеристикой сталей является их высокая коррозионная стойкость.
Широкое распространение в технике низких температур получили хромоникелевые аустенитные стали, содержащие 17 – 25 % хрома и 8 – 25 % никеля. Благодаря сохранению высокой пластичности и вязкости в широком температурном диапазоне, коррозионной стойкости в сочетании с хорошими технологическими свойствами они являются наиболее распространенными конструкционными материалами для холодильных машин. 
К недостаткам этой группы сталей относятся низкая прочность при комнатной температуре, особенно по пределу текучести, а также сравнительно высокая стоимость, обусловленная высоким содержанием дорогого никеля. В последние годы наблюдается тенденция к использованию в холодильных машинах аустенитных сталей, в которых никель полностью или частично заменен марганцем.

Химический состав сталей для холодильных машин

C Mn
Ni
Cr
Cu
Ti
P S
12Х18Н10Т до 0,12 до 2 9-11 17-19 до 0,3 до 0,8 0,035 0,03
03Х20Н16АГ6 до 0,025 6-7,5 15-16,5 20-25 до 0,3 до 0,6 ≤0,025 ≤0,020
10Х14Г14Н4Т до 0,1 13-15 2,8-4,5 13-15 до 0,3 до 0,6 0,035 0,02
03Х13АГ19 до 0,03  19 0,2-0,3  13  до 0,3 до 0,7 0,035 0,03
07Х13Н4АГ20 до 0,07  20 2,5-4,5 13 до 0,3 до 0,7 0,035 ≤0,020

В зависимости от содержания основных легирующих элементов различают два типа хромоникелевых аустенитных сталей. Это метастабильные стали, претерпевающие заметное мартенситное превращение при охлаждении и деформации, содержащие 17 – 20 % Сг и 8 – 12 % Ni. Вторую группу образуют стабильные стали, содержащие 1ь – 25 % Сг и 14 – 25 % Ni. В них мартенситное превращение подавлено и аустенитная структура сохраняется вплоть до самых низких температур.
Высокая стоимость никеля привела к созданию сталей (марки 03Х13АГ19, 10Х14Г14Н4Т), в которых никель полностью или частично заменен марганцем, также являющимся стабилизатором аустенита. В их состав дополнительно вводят азот, способствующий получению аустенитной структуры и дополнительному упрочнению (03Х20Н16АГ6, 07Х13Н4АГ20).  
Азот, образуя твердый раствор внедрения, существенно меняет параметры кристаллической решетки аустенита и тем самым влияет на характеристики прочности.  
Растворимость азота в железе при температуре 830° С составляет всего лишь 0,027%. Присутствие хрома и особенно марганца способствует увеличению растворимости азота в стали. Эффективность влияния азота как элемента внедрения, блокирующего движение дислокаций и повышающего предел текучести, с понижением температуры возрастает. Повышая стабильность аустенита, азот препятствует образованию феррита при высоких температурах. 
Введение азота в хромоникельмарганцевые стали позволяет поднять уровень предела текучести при комнатной температуре. С понижением температуры эффективность влияния азота еще более возрастает. Хром, никель и марганец как элементы замещения оказывают меньшее влияние на прочностные свойства, их роль определяется необходимостью обеспечения заданной аустенитной структуры.
У сталей, работающих до -259 °С немагнитная аустенитная структура должна быть устойчивой в диапазоне температур. Материал должен обладать высокой коррозионной стойкостью в воздушной среде при изменяющихся температурных условиях работы, быть технологичным и хорошо свариваться.
Этим требованиям полнее других отвечает аустенитныая хромоникелевая сталь 04Х21Н16АГ8М2ФД. Стали такого типа с азотом, обладая почти вдвое более высокой прочностью по сравнению с обычными хромоникелевыми сталями, перспективны для изготовления высоконагруженных деталей машин и конструкций холодильной техники. Они технологичны, хорошо свариваются, коррозионностойки, характеризуются высоким показателем вязкости и пластичности вплоть до температур жидкого гелия. Стали этой системы легирования сохраняют высокую стабильность аустенитной структуры в криогенных условиях.
Применяются также высокопрочные мартенситно-стареющие стали. Отличительной особенностью этой группы сталей является получение при закалке практически безуглеродистого легированного мартенсита и его последующее старение при температуре около 500° С, сопровождающееся выделением интерметаллидных фаз. Это обеспечивает сочетание высоких прочностных свойств с достаточной пластичностью и вязкостью. Опасность хрупких разрушений при низких температурах в отличие от других высокопрочных сталей уменьшается благодаря присутствию никеля и низкому содержанию углерода. Высокая концентрация легирующих элементов предотвращает образование немартенситных продуктов превращения аустенита независимо от скорости охлаждения при закалке.
Для изготовления деталей холодильной техники применяются мартенситно-стареющие стали 03Х9К14Н6МЗД (ЭП 921) и 03Х14К14Н4МЗ (ЭП 767). Эти стали имеет однородную мартенситную структуру.

Состав мартенситно-стареющих сталей

C Cr Ni Co Vo Cu Ti V
ЭП921 <0,03 8,5-9,5 6-7 13-14 3-4 1-1,5

ЭП767 <0,03 13,5-15 3,8-4,8 2-3

0,15-0,2 0,1-0,2

Занятие 4

Протяжка диаметром 100 мм изготовлена из стали Р6М5. Поскольку протяжка эксплуатируется при небольшой скорости резания, представляется возможным заменить ее на изготовленную из более дешевой нетеплостойкой стали. Выберите взамен стали Р6М5 другую. Опишите химический состав, структуру и свойства обеих сталей. Какие процессы ХТО можно использовать для повышения стойкости протяжек из названных сталей.

Стали для протяжек должны обладать высокой твердостью режущей кромки HRC 63 – 66, должны иметь высокую прочность и сопротивление малой пластической деформации. Стали должны иметь высокую теплостойкость (красностойкость), особенно при высоких скоростях резания и обработке труднообрабатываемых деталей
Так как протяжки эксплуатируется при небольшой скорости резания, не подвергаются разогреву в процессе эксплуатации, для их изготовления можно применить более дешёвые легированные стали. Легирование инструментальных сталей для режущего инструмента позволяет уменьшить недостатки углеродистых сталей, повысить прокаливаемость, а также добиться новых существенных качеств инструмента. Свойства и состав легированных сталей для режущего инструмента регламентируются ГОСТ 5950 –73.
Для изготовления протяжек можно применять стали неглубокой и глу-бокой прокаливаемости. В группу сталей неглубокой прокаливаемости входят низколегированные стали, содержащие невысокое содержание хрома (0,4 – 0,7 %), ванадия (0,15 – 0,30%) – 7ХФ, 8ХФ, 9ХФ, 11ХФ; а также стали с вольфрамом – ХВ4, В2Ф.
Легирование хромом несколько повышает устойчивость переохлажденного аустенита и прокаливаемость по сравнению с углеродистыми сталями. Использование ванадия для легирования этих сталей позволяет обеспечить меньшую чувствительность стали к перегреву и регламентированную глубину прокаливаемости. Так, применяя разную температуру закалки, можно регулировать толщину закаленного слоя, не опасаясь перегрева стали. По этой причине для сталей типа 7ХФ, 8ХФ, 9ХФ рекомендуют два температурных интервала нагрева под закалку. Более высокая температура закалки позволяет растворить лишь часть карбида ванадия в аустените и повысить его устойчивость, а нерастворенная часть карбида ванадия оказывает барьерное действие на р ост зерна. При принятом содержании ванадия в этих сталях (0,15 – 0,30%) граница образования структуры перегрева повышается до 900 – 950º С.
Стали с вольфрамом ХВ4, В2Ф имеют повышенное содержание углерода, что обеспечивает получение карбида М6С и мартенсита с высоким содержанием углерода, благодаря чему эти стали имеют после закалки наиболее высокую твердость (HRC 65 – 67) и износостойкость. Они применяются для обработки твердых металлов при небольшой скорости резания. В группу сталей глубокой прокаливаемости входят хромистые стали с более высоким содержанием хрома (1,4 – 1,7%) и стали комплексно легированные несколькими элементами–(хромом, марганцем, кремнием, вольфрамом).
Комплексно легированные стали 9ХС, ХГС, ХВГ обладают высокой прокаливаемостью. Особенно это относится к сталям с марганцем, поэтому стали типа ХВГ применяют для крупного режущего инструмента, работающего при малых скоростях резания (протяжки, развертки, сверла). Легирование кремнием позволяет повысить устойчивость против отпуска.

Занятие 5

В химическом машиностроении применяют специальные латуни для изготовления литьем коррозионностойких тяжелонагруженных деталей. Выбрать марку сплава с временным сопротивлением не ниже 450 МПа, привести его состав, механические свойства, структуру и указать, в каких средах такой сплав является устойчивым. Сопоставить механические свойства латуни выбранного состава с аналогичными свойствами латуни ЛС59-1 и указать область применения латуни ЛС59-1.

Для изготовления коррозионностойких тяжело нагруженных деталей используют латунь Л63. Латунь Л63 – двухкомпонентный сплав меди и цинка, с содержанием 62 – 65% Cu и 34,2 – 37,5 %, Zn, до 0,5% в нём составляют примеси. Это одна из самых ходовых латуней, в виду большого содержания Zn, хороших механических показателей и низкой стоимости, по сравнению со сплавами, содержащими больше Cu.
Сплав Л63 предназначен для обработки давлением, хорошо обрабатывается в холодном состоянии, а также может обрабатываться на станках. Тем не менее для обработки резанием на фрезерных, токарных и прочих станках эффективнее применять автоматный сплав ЛС59-1.
Латунь Л63 – двухкомпонентный сплав и относится к однофазным структурам. При появлении второй фазы, механические показатели изделий падают: повышается хрупкость, твёрдость, уменьшается пластичность изделий. Латунь Л63 хорошо поддаётся обработке давлением: прокатке, глубокой вытяжке, чеканке, волочению, изгибу без серьёзных последствий, при соблюдении режима обработки.

Химический состав латуни Л63

Fe P Cu Pb
Zn Sb
Bi Примеси
до 0,2 до 0,01 62-65 до 0,07 34,2-37,5 до 0,005 до 0,002 0,5

Все латуни обладают повышенными антикоррозионными свойствами по сравнению с чистой медью, но имеют меньшую тепло и электропроводность. Латунь Л63 хорошо проявляет антикоррозионные свойства в воздушной среде, в том числе при морском климате, в пресной воде, в малоподвижной морской воде, в среде сухих газов-галогенов, в сухом паре, в антифризах, спиртах, фрионах. 
Но сплав Л63 теряет в стойкости к коррозии после обработки резанием, или обработки на станках. Это связано с нарушениями кристаллической структуры состава сплава и остатком напряжения металла. Катализирующими процесс коррозионного растрескивания факторами являются: избыток влаги, высокая температура, наличие в атмосфере сернистых газов и аммиака. Чтобы предотвратить растрескивание все изделия из Л63 рекомендуется подвергать отжигу в низком температурном режиме.
Латунь ЛС59-1 применяется для изготовления болтов, гаек, втулок, зубчатых колёс. Применяется также для изготовления полуфабрикатов (листов, полос, труб, прутков, проволоки), крепёжных изделий (болтов, гаек), шестерёнок, зубчатых колёс, втулок.
Автоматная многокомпонентная латунь ЛС59-1 имеет химический состав по ГОСТ 15527. Латунь ЛС59-1 на 57-60 % состоит из меди, 37,5-42,2 % цинка, 0,8-1,9 свинца и до 0,75 % примесей. Латунь ЛС59-1 имеет наиболее широкое применение среди латуней обрабатываемых давлением. Согласно классификации, многокомпонентный сплав обрабатываемый давлением, но на практике он применяется чаще в качестве автоматного сплава. Оба указанных материала обладают одинаковой тепло и электропроводностью, но легирование сплава ЛС59-1 свинцом позволяет применять его в качестве автоматного, и более эффективно обрабатывать резанием, с получением мелкой стружки.

Химический состав латуни Л59-1

Fe P Cu Pb
Zn Sb
Bi Sn
Примеси
до 0,5 до 0,02 57-60 0,8-1,9 37,5-42,2 до 0,01 до 0,003 до 0,3 0,75

Свинец в латуни Л59-1 составляет отдельную фазу, поэтому он хорошо обрабатывается давлением и резанием. Тем не менее, по пластичности ЛС59-1 значительно уступает двусоставным сплавам и рекомендуется для обработки резанием. Данный сплав обладает антифрикционными свойствами и может применяться при изготовлении мелких деталей, рассчитанных для работы при высоком трении, например, подшипников скольжения. Так как он обладает более высокой твёрдостью, чем простые сплавы, и стоек к истиранию, листовые заготовки из него возможно применять для изготовления направляющих элементов различных станков.
Все многокомпонентные латуни имеют излишнюю хрупкость, которая проявляется в особых условиях в виду многофазовой структуры материала. В латуни Л59-1 свинец образует отдельную фазу, что положительно сказывается на обрабатываемости деталей из него на станках, но так же делает материал более хрупким. Детали из ЛС59-1 имеют склонность к надлому при высоком давлении, поэтому не могут быть использованы в качестве несущих элементов. А при высокой ударной нагрузке на заготовки из Л63, материал может покрыться трещинами, в виду его низкой ударной вязкости, поэтому он не подходит для ковки.
После обработки заготовок из латуни ЛС59-1 материал не испытывает сильного напряжения, свинец образует отдельную фазу, по этой причине, он более устойчив к сезонным растрескиваниям, проявляющимся при повышении влажности и температуры окружающей среды, в чём превосходит Л63.
Сплав ЛС59-1 устойчив к коррозии, при тех же условиях, как и большинство латуней. Его не следует применять в контакте с Fe, Al, Zn. Также он плохо проявляет себя: в насыщенном влажными парами воздухе, при высоком давлении, при контакте с жирными кислотами, в сероводороде, в рудничных водах, в минеральных кислотах, а также в окисленных растворах и с хлоридами. Устойчивость же к коррозии проявляется: в воздушной среде и при морском климате, в сухих парах, в пресных водах, в фреонах, спиртах, антифризах, в солёной морской воде в малоподвижном состоянии. А наличие в парах или воде избытка кислорода, аммиака или углекислоты негативно сказываются на коррозионной стойкости этого материала.

Сравнительные свойства латуней Л63 и Л59-1
Материал Л63 Л59-1
Удельное электросопротивление 0,065 0,065
Теплопроводность 0,25 0,25
Ударная вязкость 14 5
Предел прочности на срез, МПа 240 360
Обрабатываемость,%
40 80

 

Литература

Колесов С. Н., Колесов И. С. Материаловедение и технология конструкционных материалов. – М.: Высшая школа, 2004.
Пейсахов А. М., Кугер А. М. Материаловедение и технология конструкционных материалов. – СПб.: Издательство Михайлова, 2004.
Арзамасов Б. Н., Макарова В. И.,. Мулин Г. Н. и другие. Материаловедение. – М.: МГТУ им. Баумана, 2004.
Арзамасов Б. П., Крашенников А. И., Пастухова Ж. П. Научные основы материаловедения. – М.: Издательство МВТУ им. Баумана, 1994.
Банных О. А., Александров Н. Н. Стали. Чугуны. – М.: Машиностроение, 2000.
Воскобойников В. Г., Кудрин В. А., Якушев А. М. Общая металлургия. – М.: Металлургия, 1998.
Лахтин Ю. М., Леонтьева В. П. Материаловедение. – М.: Машиностроение, 1990.
Материаловедение и технология металлов. Под ред. Г. П. Фетисова. – М: Высшая школа, 1990.
Кноров Б. В., Усова Л. Ф., Третьяков А. В. и другие. Технология металлов и материаловедение. – М.: Металлургия, 1987.

Занятие 2 Шестерни подвергаются действию знакопеременных и ударных нагрузок и должны иметь максимально одн