Рекомендации по выбору маржи стали и вида ее обработки

Предварительный выбор сталей для типовых деталей машин можно проводить на основе рекомендаций, базирующихся на практике использования материалов в современном машиностроении. Ниже приводятся рекомендации для различных групп деталей.

Валы и оси. Эксплуатационная стойкость валов определяется усталостной прочностью в условиях кручения и изгиба, контактной прочностью и износостойкостью.

Малонагруженные, медленно вращающиеся валы изготавлива­ют из сталей 35, 40, 45, Ст3, Ст4, Ст5. Их не подвергают термообра­ботке.

Валы небольших размеров, которые должны обладать повы­шенной прочностью на изгиб и кручение и усталостной прочностью, изготовляют из сталей 40Х (диаметр вала d = 20...25 мм), 50Х (d = 35...40 мм), 40ХГР (d = 50...56 мм). Их подвергают закалке и отпус­ку, чаще всего низкотемпературному при 180...220°С на HRC 45...50, реже среднетемпературному при 410...430°С на HRC 35...42 (для валов с небольшой скоростью вращения).

Средненагруженные валы диаметром до 100 мм, работающие в основном на изгиб и кручение, изготавливают из сталей 45, 40Х и 50Х, подвергая их улучшению на НВ 217...285 (s_В = 800...1000 МПа).

Высоконагруженные валы (с эквивалентным напряжением свы­ше 500 МПа) большого диаметра (свыше 100 мм) изготавливают из сталей 50ХН, 40ХНМА, 34ХН3МА, 38ХН3МФА и подвергают улучшению на s_В >1000 МПа.

Для валов в турбо- и компрессоростроении, которые должны обладать высокой прочностью в больших сечениях, применяют ста­ли 30ХН2ВФА, 36ХН1МФА, 38ХН3МФА, 30Х2НВФА, 34ХН1М, 34ХН3М, 34ХН1МА, 34ХН3МА, 35ХМ, 35ХМА, 38ХМ, подвергае­мые улучшению.

Гладкие, ступенчатые и шлицевые валы, работоспособность ко­торых определяется контактной выносливостью и износостойкостью, должны иметь поверхностную твердость не менее HRC 48...50. Та­кие валы изготавливают (например, в станкостроении) из сталей 45 и 50, упрочняя их поверхностной закалкой при индукционном на­греве (с толщиной упрочненного слоя 1,3...2,0 мм).

Если валы должны обладать также и высокой усталостной прочностью, то перед поверхностной закалкой их подвергают улуч­шению. В этом случае чаще используют стали 40Х, 40ХГТ и др., обеспечивающие повышенную прокаливаемость.

Если требуется высокая износостойкость, то быстроходные валы изготовляют из сталей 20Х (d = 25...30 мм), 18ХГТ (d = 60...80 мм), 12ХН3А (d = 80... 100 мм) и подвергают их цементации с последую­щей нормализацией от 880°С, закалкой и отпуском при 170...200°С для получения поверхностной твердости HRC 56...62 с толщиной упрочненного слоя 0,7...1,6 мм.

В автостроении для изготовления ведущего и ведомого валов коробки передач применяют стали 25ХГМ и 25ХГТ (упрочняемые нитроцементацией на HRC 56...65), 15ХГНТ и 15ХГН2ТА (упрочняемые цементацией на HRC 58...64), 35Х (подвергаемую цианированию на HRC 48...53). Для изготовления цементируемых валов большого диаметра (~100 мм) с высокой прочностью сердце­вины применяют сложнолегированные стали 35Х2ГНТА, 30ХН2МФА, 12Х2Н4А, 20Х2Н4А и др. Когда требуются высокая прочность и особо высокая износостойкость, применяют улучшае­мую сталь 38Х2МЮА с последующим азотированием.

Для шестеренных н червячных валов, шлицевых валов, валов редукторов используют также стали 33ХС, 38ХС, 40ХС после улуч­шения на твердость не менее НВ 255; 25ХГСА...35ХГСА после улучшения на НВ 235...269; 40Г, 40Г2, 50Г2 после улучшения на НВ 250...300.

Для торсионных валов применяют стали 33ХС, 38ХС, 40ХС по­сле улучшения на НВ > 255 и сложнолегированные стали 36Х2Н2МФА, 45ХН2МФА, подвергаемые улучшению на НВ 262...311.

Распределительные и карданные валы изготавливают из мар­ганцевых сталей 40Г, 40Г2,50Г2, улучшаемых на НВ 250...300.

Валы н оси особо ответственного назначения изготавливают из сложнолегированных улучшаемых сталей 35ХН1М2ФА (НВ 248...293), 38ХН3МА, 38ХН3МФА (НВ 293...331).

Для изготовления осей и полуосей применяют улучшаемые ста­ли 30...55, 30Г2, 40Г2, 30Х...50Х, 40ХФА, 47ГТ, 40ГТР, 38ХГН, 30ХРА. Тяжело нагруженные оси, работающие при больших удар­ных нагрузках и изнашивании, можно изготавливать из сталей 25Х2ГНТА, 20Х2Н4А и 12ХН3А, подвергаемых цементации.

Коленчатые валы. Коленчатый вал двигателя воспринимает высокие нагрузки от сил инерции поступательного в вращательного движения масс. Эти силы вызывают износ шеек вала и усталостные явления по галтелям и в местах выхода масляных каналов. Коленчатые валы обычно изготавливают из сталей, в ряде случаев из высо­копрочных и ковких чугунов.

Коленчатые валы тихоходных судов и автотракторных двигате­лей изготовляют из сталей 40, 45, 40Х, 40Г. Для коленчатых валов быстроходных двигателей применяют улучшаемые стали 40Х, 40ХН, 40ХФА, 45X. Шейки валов подвергают поверхностной закал­ке ТВЧ и самоотпуску (стали 40Х, 40ХН, 40ХФА) или азотированию (сталь 45Х). Для повышения усталостной прочности галтели иногда упрочняют обкаткой роликами или подвергают дробеструйному наклепу.

Высоконагруженные коленчатые валы изготавливают из улуч­шаемых сталей 40ХНМА и 18Х2Н4ВА, подвергаемых иногда азоти­рованию. Коленчатые валы дизельных двигателей изготавливают из сталей 18Х2Н4ВА, 18Х2Н4МА, 14Х2Н3МА, подвергаемых улучше­нию и азотированию (HV 600...700) или закалке и отпуску при 200°С.

Шпиндели. Шпиндели должны обладать высокой поверхност­ной твердостью и износостойкостью. Шпиндели для станков нормальной и повышенной точности упрочняют поверхностной закал­кой с нагревом ТВЧ (HRC 58...62) или объемной закалкой с отпус­ком на HRC 40...5O. Для изготовления таких шпинделей применяют стали 50 или У8.

Шпиндели станков особо высокой точности упрочняют цемен­тацией или азотированием. Для цементуемых шпинделей применя­ют стали 20Х, 18ХГТ, 12ХНЗА с поверхностной твердостью после закалки в отпуска при 170...210°С HRC 56...62. Азотируемые шпин­дели изготовляют из сталей 18ХГТ, 40ХФА (HV 600...700) и 38Х2МЮА (не менее HV 850).

Зубчатые колеса. Наиболее часто выход из строя зубчатых ко­лес связан с контактным усталостным разрушением, торцовым изно­сом, заеданием зубьев, а также с поломкой зубьев из-за усталости или кратковременных перегрузок.

Для тяжело нагруженных (силовых) зубчатых колес применяют легированные цементуемые стали 20ХГНМ, 18ХГТ, 30ХГТ, 12ХН3А, 18Х2Н4ВА, 20ХНМ, 25Х2ГНТА (после термообработки HRC 56...64) и нитроцементуемые стали 40Х (HRC 48...53), 25XГT, 25XГM(HRC52...62).

Для средненагруженных колес применяют также стали 45, 50, 40Х, 50Х, упрочняя колеса но контуру зубьев (в том числе и во впа­динах) закалкой ТВЧ или объемной закалкой с последующим отпус­ком при 180...220°С на HRC 48...54. Для средне- и малонагруженных колес применяют иногда улучшаемые стали 40, 45, 50Г, 40Х, 30ХГС (при единичном и мелкосерийном производстве).

Ведущие и ведомые цилиндрические и конические шестерни редукторов и главной передачи грузовых автомобилей ЗИЛ изготов­ляют из экономно легированных сталей 18ХГТ, 25ХГТ, автомобилей ВАЗ – из сталей 20ХГНМ и 19ХГН, автомобилей ГАЗ – из сталей 20ХГР и 20ХНМ (с использованием цементации или нитроцементации). В последнее время для изготовления зубчатых колес заднего моста автомобиля применяют сталь 25ХГНМАЮ, что обеспечивает повышение их долговечности на 30% по сравнению с серийными колесами из стали 20ХГНМ

Наиболее нагруженные шестерни большегрузных автомобилей изготовляют из сталей 12ХНЗА (автомобиль МАЗ), 15ХГН2ТА и 15Х2ГНТРА (ЯМЗ), 20ХГН2ТА и 15ХГН2ТА (КрАЗ), подвергаемых цементации или нитроцементации на поверхностную твердость не ниже HRC 59. Твердость на поверхности зуба не должна превышать HRC 63, а в сердцевине – HRC 30...42. Излишне высокая твердость сердцевины снижает предел выносливости зубьев и увеличивает опасность их хрупкого разрушения.

Некоторые шестерни заднего моста изготовляют из стали 55ПП и упрочняют поверхностной закалкой при глубинном нагреве. При этом получают твердость на поверхности зуба HRC 58...62 и в серд­цевине HRC 30...40. Толщина упрочненного слоя 1...2 мм.

В тракторном и сельскохозяйственном машиностроении приме­няют различные материалы в зависимости от степени нагруженности деталей. Мало- и средненагруженные зубчатые колеса (шестерня коробки передач, ведомые шестерни главной передачи и др. для тракторов Т-40, ДТ-54А, Т-74, ТМЗ-50, МТЗ-80 и др.) изготовляют из сталей 18ХГТ, 25ХГТ, 20ХГНР, 20ХНР, 20Х с упрочнением це­ментацией на глубину 1,2...1,8 мм или нитроцементацией на глуби­ну 0,8...1,2 мм. Твердость поверхности HRC 56...65, в сердцевине зубьев – HRC 25...40.

Если зубчатые колеса должны обладать повышенной износо­стойкостью, то их изготовляют из улучшаемых сталей 40, 45, 40Х, 40ХС, а поверхность упрочняют на HRC > 54 закалкой ТВЧ. Тол­щина упрочненного слоя 1,5...2,5 мм.

Тяжело нагруженные колеса (например, шестерни тракторов Т-74, Т-180, Т-100М, Т-130 и т. д.) изготавливают из цементуемых или нитроцементуемых сталей 20ХГНР, 20ХНР, 20ХН3А. Толщина и твердость поверхностного слоя такие же, как у предыдущей группы сталей с такой же обработкой, а твердость сердцевины несколько выше – НRС 30…45.

В станкостроении зубчатые колеса изготовляют из цементуемых сталей 20Х и 18ХГТ или из стали 40, подвергаемой контурной по­верхностной закалке ТВЧ на твердость HRC 45...52. Высоко­нагруженные колеса изготовляют иногда из цементуемой стали 20ХНМ или нитроцементуемой стали 25ХГТ. Особо высоконагру­женные (s = 300...450 МПа) колеса изготовляют из сталей 12ХН3А (с цементацией) или 25Х2ГНТА (с нитроцементацией). Твердость на поверхности зубьев HRC 56...60, в сердцевине – HRC 30...40.

Азотированию подвергают мало- исредненагруженные колеса сложной конфигурации, изготовляемые из сталей 40Х или 40ХФА. После азотирования проводится только притирка или хонингование зубьев.

Трубчатые детали (втулки, гильзы и т. д.). Эти детали должны обладать высокой износостойкостью, стабильностью формы и раз­меров. Их изготовляют из азотируемых сталей 40ХФА, 30ХН3ВА, 38Х2МЮА или цементуемых сталей 20Х (толщина стенки 14...18 мм), 18ХГТ (40...45 мм), 12ХН3А (70...75 мм).

Нормали (болты, винты, гайки, шпильки и т. д.). Для этих дета­лей используют нормализуемые стали 40, 40Х, 30ХГС с твердостью HRC 25...30 (малонагруженные детали), улучшаемые стали 40, 40Х, 30ХГС с HRC 30...35 (средненагруженные детали) и улучшаемые или нормализуемые стали 40ХН, 40ХНМА с HRC 30...35 (высоко- и сложно нагруженные детали).

Детали лесных машин рекомендуется изготавливать из сталей, приведенных в табл.19.

Таблица 19

Стали, рекомендуемые для изготовления деталей лесных машин

Продолжение таблицы 19