Выбор стали и упрочняющей термической обработки для деталей машин и инструментов

Выбор сталей для изготовления деталей машин и методов их упрочнения определяется уровнем требуемой конструкционной прочности, технологичностью механической, термической и химико – термической обработки, объемом производства, стоимостью материала и себестоимостью упрочняющей обработки. При выборе стали и упрочняющей обработки исходят из следующих общих требований.

Эксплуатационные требования.Сталь должнаудовлетворятьусловиям работы в машине, т.е. обеспечить заданную конструкционную прочность, что вначале определяется расчетными данными. Конструкционная прочность – комплексная характеристика, включающая сочетание критериев прочности, надежности и долговечности, обеспечивающих надежную и длительную работу изделия в условиях эксплуатации.

Критериями прочности при статических нагрузках являются временное сопротивление или предел текучести , характеризующие сопротивление материала пластической деформации. Критерий прочности при циклических нагрузках – предел выносливости (при симметричном круговом изгибе ). По величине выбранных критериев прочности рассчитывают допустимые рабочие напряжения. При этом, чем больше прочность материала, тем больше допустимые рабочие напряжения и тем самым меньше размеры и масса детали.

Для ограничения упругой деформации материал должен обладать высоким модулем упругости Е (или сдвига), являющимся критерием его жесткости. Именно критерий жесткости, а не прочности обусловливает размеры станин станков, корпусов редукторов и других деталей, от которых требуется сохранение точных размеров и формы.

Однако, каким бы не были расчеты, только по ним нельзя судить о надежности работы детали. Необходимы натурные испытания, т.е. испытания самих деталей как на специальных стендах, так и непосредственно в эксплуатации. Имея информацию о стойкости деталей, можно установить комплекс прочностных и других параметров, которые находятся в наибольшей корреляции с эксплуатационными свойствами деталей машин. При установлении этих параметров кроме стандартных механических свойств ( , , HB, , , KCU) с учетом прокаливаемости стали должны учитываться работа распространения трещины КСТ, трещиностойкостью , предел выносливости , сопротивление контактной усталости, сопротивление износу и т.д. Для многих машиностроительных сталей ( < 1000МПа) определение вязкости разрушения затруднено. Поэтому о сопротивлении хрупкому разрушению судят не по вязкости разрушения , а по температурному

порогу хладноломкости .

Элементы машин и конструкций могут работать в экстремальных условиях, при низких или высоких температурах, испытывать большие динамические, статические и циклические перегрузки, воздействие агрессивных сред и т.д., приводящие к отказам деталей машин. При перегрузках в деталях из пластичных материалов возможна пластическая деформация (изгиб осей и валов, растяжение болтов, слияние посадочных поверхностей в крепежных деталях и т.д.) или вязкое разрушение. При длительной эксплуатации при высоких температурах за счет ползучестинередко наблюдаются недопустимые деформации. Ползучесть материала лопаток и дисков турбин, паропроводов и других деталей ограничивает срок их службы. В соответствии со статическими данными деформация и вязкое разрушение являются причиной 15 – 20 % всех отказов.

Образование хрупких трещин чаще происходит при низких температурах эксплуатации, наличии исходных дефектов типа трещин, повышенных остаточных напряжениях, возникновении статических и динамических перегрузок, а также при увеличении размеров начальных дефектов под действием циклических эксплуатационных нагрузок и коррозии. Хрупкое разрушение судов, мостов, кранов, строительных и дорожных машин обычно начинается в зонах концентрации напряжений эксплуатационных повреждений и увеличения вероятности одновременного сочетания факторов, способствующих снижению сопротивления хрупкому разрушению.

Повышение сопротивления деталей машин (конструкций) хрупкому разрушению не может быть достигнуто повышением запасов статической прочности, т.е. снижением их номинальной напряженности и увеличением сечения. Это должно достигаться использованием более стойких к переходу в хрупкое состояние материалов, надлежащих конструктивных форм и технологии изготовления, повышением требований к дефектоскопическому контролю на стадии изготовления машин или конструкций для отработки некачественного металла или некачественно изготовленных деталей. Надежность работы конструкции во многом определяется сопротивлением материала распространению трещин, т.е. его вязкостью разрушения . Повысить сопротивление хрупкому разрушению при сохранении высокой статической прочности можно измельчением зерна, термомеханической обработкой (ТМО), очисткой стали от вредных примесей. Для изделий, требующих высоких значений KCU, KCT, , низкого порога хладноломкости (работающих при низких температурах с высокими скоростями приложения нагрузки и при наличии концентраторов напряжений), следует применять мелкозернистые, спокойные стали, предпочтительно легированные никелем и молибденом.

Работоспособность зубчатых колес, валов, осей , коленчатых валов, штоков, рам транспортных и грузоподъемных машин, рессор, пружин, сварных соединений и многих других деталей и конструкций определяет сопротивление усталости. Циклическая долговечность и прочность зависят от большого числа факторов, из которых решающее значение имеют структура и напряженное состояние поверхностного слоя, качество поверхности и воздействие коррозионной среды. Наличие на поверхности остаточных напряжений сжатия затрудняет образование и развитие трещин усталости и, как следствие, способствует увеличению предела выносливости. Резко отрицательное влияние оказывают напряжения и многочисленные концентраторы напряжений: конструктивные – изменение формы сечения, галтели, отверстия, канавки, проточки и т.п.; технологические – микронеровности поверхности, риски и другие следы механической обработки; металлургические – внутренние дефекты в виде пор, раковин, неметаллических включений (оксидов, сульфидов, силикатов и др.). Предел выносливости снижается также с увеличением размеров деталей (масштабный фактор) и более интенсивно под влиянием коррозионной среды, вызывающей повреждение поверхности в виде углублений, сетки трещин и других концентраторов напряжений.

Большинство отказов деталей машин (до 80-90%) связано с различного рода изнашиванием вследствие потери точности, снижения кпд и повышения амплитуды переменных нагрузок, что вызывает усталостное разрушение.

Уменьшение износа достигается правильной конструкцией узлов трения (выбор вида трения в опорах, системы смазки, создание устройств для очистки воздуха и смазочного масла и др.),применением износостойких материалов, упрочнением поверхности закалкой, химико – термической обработкой, наплавкой износостойкими сплавами, нанесением на поверхность тонкого слоя нитридов или карбидов и др.

Такие детали, как подшипники качения, зубчатые колеса, валы и многие другие детали подвержены усталостному изнашиванию (контактной усталости). Контактная усталость тем выше, чем больше твердость. Повышение предела контактной выносливости достигается упрочнением поверхности, повышением предела прочности материала, снижением нагрузки в зоне контакта, улучшением чистоты поверхности, а также повышением вязкости масла.

Технологические требования.Сталь должна удовлетворять требованиям минимальной трудоемкости изготовления детали. В частности, сталь должна обладать хорошей обрабатываемостью резанием и давлением, и поэтому особое значение приобретает выбор правильного режима предварительной термической обработки заготовок, который назначается с учетом последующих процессов упрочнения. Предварительная термическая обработка осуществляется в заготовительных цехах и сводится к нормализации (углеродистые стали), нормализации и высокому отпуску при 600-670 (легированные стали), отжигу, изотермическому отжигу или высокому отпуску на твердость HB156-220.

Экономические требования. Материал должен быть возможно дешевле, с учетом всех затрат, включающих не только стоимость стали, но и изготовление деталей и их эксплуатационную стойкость. В первую очередь нужно стремиться выбрать менее дорогую сталь, углеродистую или низколегированную. Дорогие же легированные конструкционные стали, содержащие дефицитные никель, молибден, вольфрам и другие элементы, следует применять лишь в тех случаях, когда более дешевые стали не удовлетворяют требованиям, предъявляемым к изделию. Легированные стали применяют, когда нужно обеспечить требуемую надежность и долговечность (низкий порог хладноломкости, высокую прокаливаемость, сопротивление усталости, износостойкость и др.), получение особых свойств (коррозионной стойкости, жаропрочности и т.д.), улучшение технологических свойств (обработки резанием, штампуемости и т.д.), а также снизить расход металла на единицу готовой продукции или повысить мощность машины. Применение легированной стали должно быть технически и экономически целесообразно и оправдано в том случае, если оно дает экономический эффект за счет повышения долговечности деталей и уменьшения расхода запасных частей и, таким образом, экономии металлопроката.

Эти общие требованиям к материалу нередко противоречивы. Так, например, более прочные материалы менее технологичны, труднее обрабатываются при резании, холодной объемной штамповке, сварке и т.д. Решение при выборе материала обычно компромиссно между указанными требованиями к стали. В массовом машиностроении предпочитают упрощение технологии и снижение трудоемкости в процессе изготовления детали, некоторой потере свойств или увеличению массы детали. В специальных отраслях машиностроения, где проблема прочности или проблема удельной прочности) играет решающую роль, выбор материала и последующая технология термической обработки должны рассматриваться из условия достижения только максимальных эксплуатационных свойств. Вместе с тем не следует стремиться к излишне высокой долговечности деталей по отношению к долговечности самой машины.

При решении вопроса о выборе стали для получения требуемых механических свойств и других характеристик также важно установить оптимальный вид упрочняющей термической или химико – термической обработки. Вопросы выбора материала и технологии термической обработки следует рассматривать применительно к конкретным производственным условиям. На экономичность технологических процессов влияют объем выпуска продукции, использование энергоресурсов, возможность создания или применения оборудования и другие организационно – экономические условия производства.

При выборе упрочняющей обработки, особенно в условиях массового производства, предпочтение следует отдавать наиболее экономичным и производительным технологическим процессам, например, поверхностной закалке при поверхностном или глубинном индукционном нагреве, газовой цементации, нитроцементации и т.д.

Для проведения упрочняющей обработки на каждую деталь составляется технологическая карта с указанием марки стали, режима термической обработки, применяемого оборудования, приспособления, контроля качества и т.д.

Обычно рассматривается возможность применения нескольких марок стали и способов упрочнения. Это позволяет выбрать наиболее рациональный вариант, обеспечивающий наряду с высокими эксплуатационными свойствами детали хорошую технологичность при выполнении механический и термической обработки.

Для выбора и проектирования наиболее экономических вариантов термической и химико – термической обработки в настоящее время широко используются специальные компьютерные программы.