Выбор марки стали по критическому диаметру прокаливаемости

Работа по выбору марки стали состоит из нескольких этапов: 1) анализ условий работы заданной детали и особенностей ее конст­рукции; 2) предварительный выбор марок сталей, удовлетворяющих требуемым условиям; 3) сравнительный анализ выбранных марок сталей (по механическим свойствам с учетом прокаливаемости) и окончательный выбор материала с учетом его эксплуатационных и технологических характеристик и стоимости; 4) выбор вида и режима термической или химико-термической обработки детали.

Предварительный выбор марки стали проводится с использова­нием приведенных выше рекомендаций или справочных данных (например, [3...6]). Проверка соответствия выбранной марки стали принятому распределению твердости по сечению детали проводится с учетом прокаливаемости стали. По табл.20 определяется твердость полумартенситной зоны для стали с заданным содержанием углеро­да. Если твердость полумартенситной зоны улучшаемой стали меньше HRC 45, то для сердцевины детали используется условие “твердость не менее HRC 45”. Для цементуемой стали минимальная твердость полумартенситной зоны лимитируется величиной HRC 30.

Таблица 20

Твердость полумартенситной зоны для углеродистых и легированных сталей сразным содержанием углерода

Зная величину требуемой твердости сердцевины, по кривой или полосе прокаливаемости данной марки стали (см. приложение) на­ходим расстояние от закаливаемого торца до полумартенситной зоны (h мм). По величине h с помощью номограммы прокаливаемости (рис.2) определяем критические диаметры прокаливаемости для той среды, в которой проводится охлаждение выбранной стали. Ес­ли для стали нет кривой или полосы прокаливаемости, то можно пользоваться математической моделью прокаливаемости сталей, предложенной в работах Сильмана Г. И. и Серпик Л. Г.:

h = 2С [1+ 0,5 (Si + Al) (Mn + Ni) + 3 (Si + Al) Cr + Mn (Ni + Mo) + 4 Ni (Cr + Mo) + 2 Cu Cr + 10 Cr V], мм,

где С, Si, A1, Сu, Mn, Cr, V, Ni, Mo – содержания соответствующих химических элементов, %.

Если критический диаметр прокаливаемости стали d_кр. меньше диаметра термообрабатываемой заготовки d_заг., то выбранная марка стали не обеспечивает полную прокаливаемость заготовки и, сле­довательно, не гарантирует получение требуемых механических свойств. Подбор марки стали в этом случае нужно продолжить до тех пор, пока не будут обеспечены требуемая твердость рабочей поверхности, распределение твердости по сечению, что в первом приближении обеспечивается условием сквозной прокаливаемости d_заг.< d_кр., необходимый уровень ударной вязкости или пластичности и другие требования технических условий.

Пример выбора марки стали по критическому диаметру про­каливаемости.

Выберем марку стали для шлицевого ступенчатого вала диа­метром 60 мм и длиной 600 мм, учитывая, что вал работает в усло­виях высоких нагрузок (максимальное приведенное напряжение s_max.= 750 МПа), а шлицевая часть – и в условиях изнашивания.

В соответствии с рекомендациями (см. раздел 2.2), высокона­груженные валы целесообразно изготавливать из легированных сталей. Ступенчатые шлицевые валы должны обладать контактной выносливостью, высокой поверхностной твердостью (не менее HRC 48...50) и износостойкостью. Для изготовления таких валов можно использовать стали 40Х и 40XГТ. Хромоникелевые стали 40ХН-50ХН и 40ХНМА рекомендуется использовать для валов большого диаметра. Предварительно рассмотрим два наиболее простых и экономичных варианта – стали 40Х и 40XГТ.

По табл.20 определяем твердость полумартенситной зоны для легированной стали с 0,4%С. Она составляет HRC 45, что соответствует лимитируемой твердости улучшаемой стали в сердцевине детали. В связи с этим задаемся твердостью в сердцевине закаленного вала HRC 45. По средней линии полосы прокаливаемоемости стали 40Х (см. прило­жение) определяем расстояние до зоны с твердостью HRC 45 (h₄₅ = 10 мм). По номограмме прокаливаемости (см. рис.2) находим иде­альный критический диаметр ( = 53 мм) и реальный критиче­ский диаметр при охлаждении в минеральном масле и l/d =10, где 1 - длина вала ( = 27 мм). Видно, что сталь 40Х не обеспечивает сквозную прокаливаемость вала. В связи с этим рассмотрим второй вариант – сталь 40ХГТ.

Для стали 40ХГТ полоса прокаливаемости в справочной и на­учной литературе не приведена. Поэтому определим параметр про­каливаемости по приведенной выше математической модели Сильмана-Серпик для среднего химического состава стали, принятого по ГОСТ 4543-71 (0,4% С; 0,27% Si; l,0% Mn; l,15% Cr; 0,15% Cu, 0,15% Ni, 0,04% Ti). По расчету получаем h = 17,5 мм и из номо­граммы прокаливаемости находим = 75 мм и для условий ох­лаждения в минеральном масле при 1/d =10 = 45 мм, что также не обеспечивает сквозную прокаливаемость вала.

Поскольку выбор безникелевых сталей не дал положительного результата, выбираем хромоникелевую сталь 45ХН. У этой стали твердость полумартенситной зоны составляет HRC 50, h₅₀ = 30 мм, и реальный критический диаметр прокаливаемости = 80 мм, что вполне обеспечивает сквозную прокаливаемость вала. Свойства стали 45ХН в термоулучшенном состоянии (закалка от 820°С, от­пуск при 530°С): s_0,2 не менее 850 МПа, s_В не менее 1050 МПа, KCU не менее 70 Дж/см², что вполне отвечает требованиям по ме­ханическим свойствам. Твердость стали 45ХН в улучшенном со­стоянии при сквозной прокаливаемости составляет НВ 255...302. Для получения повышенной твердости (более HRC 48) в шлицевой части вала ее можно подвергнуть поверхностной закалке с индук­ционным нагревом.