ЗАДАНИЯ К ДОМАШНИМ ПРАКТИЧЕСКИМ РАБОТАМ

ЗАДАНИЯ К ДОМАШНИМ ПРАКТИЧЕСКИМ РАБОТАМ

Работа № 1 Анализ фазовых превращений в двухкомпонентных сплавах

Задание.

Выполнить анализ фазовых превращений, происходящих при медленном охлаждении из области жидкого раствора («Ж») до комнатной температуры в сплаве состава Х₁.

Таблица 45

Варианты заданий

№ варианта задания	№ рисунка и диаграмма состояния	Х1 , % (второй компонент)
		Варианты
		а	б	в
1	48, а: Fe-P	5	12	20
2	48, б: Cu-As	10	30	40
3	48, в: Cu-La	10	30	40
4	48, г: Al-Ca	10	25	35
5	48, д: Al-Ni	20	40	60
6	48, е: Al-Zn	20	40	60
7	48, ж: Bi-Pb	20	40	60
8	48, и: Cu-Be	2	4	6
9	48, к: Ni-Sb	10	20	40
10	48, л: Ti-Mn	15	40	60
11	48, м: Ti-Ge	5	10	15
12	48, н: Ti-C	3	6	10

а	б
в	г
д	е

Рис. 48. Диаграммы состояния двухкомпонентных сплавов

к домашней работе № 1

ж	и
к	л
м	н

Рис. 48. Диаграммы состояния двухкомпонентных сплавов

к домашней работе №1 (продолжение)

Работа № 2 Анализ фазовых превращений в железоуглеродистых сплавах

Задание.

Выполнить анализ фазовых превращений, происходящих при медленном охлаждении из области жидкой фазы до комнатной температуры в сплаве состава Х₁ системы железо-углерод.

Варианты заданий:

№ варианта задания	Х1 (С,%)	№ варианта задания	Х1 (С,%)
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12	0,16 0,30 0,60 0,80 1,00 1,20 1,40 1,60 1,80 2,00 2,14 2,30	13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24	2,60 3,00 3,30 3,60 4,00 4,30 4,60 5,00 5,30 5,60 6,00 6,40

Работа № 3 Проектирование композиционных материалов с короткими волокнами

Задание.

На цилиндрическую деталь летательного аппарата действует растягивающая сила N = _________H. Деталь имеет длину L = ________мм, площадь поперечного сечения S = __________ кв. мм., масса детали М = ______ г., рабочая температура детали t = _________ град. С.

Требуется:

1. Выполнить для заданной детали расчеты прочности, плотности и удельной прочности без учета материала детали.

2. Выполнить проектирование композиционного материала (КМ) для заданной детали.

Таблица 46

Варианты заданий

№ задания	L, мм	S, кв.мм.	М, г	N, Н	t (раб), град.С
1	950	100	500	60000	20
2	900	95	450	55000	20
3	850	90	400	50000	20
4	800	85	350	65000	20
5	800	100	450	60000	20
6	800	90	400	55000	20
7	850	80	350	50000	20
8	950	100	500	60000	400
9	900	90	400	55000	400
10	850	95	350	50000	400
11	900	85	300	65000	400
12	950	100	450	60000	400
13	850	90	400	55000	400
14	900	80	350	50000	400
15	950	90	450	65000	400
16	950	100	500	60000	550
17	900	95	450	55000	550
18	850	90	400	50000	550
19	800	85	350	65000	550
20	800	100	450	60000	550
21	850	80	400	55000	550
22	900	85	350	50000	550

Работа № 4

Выбор стали и термической обработки деталей машин

Задача №1:

Выбрать марку стали, вид и режим термической обработки для изготовления валов диаметром 50 мм редуктора. По расчету сталь должна иметь предел прочности:

а) не ниже 600 МПа, ударную вязкость не ниже 0,7 МДж/м²

б) не ниже 800 МПа, ударную вязкость не ниже 0,8 МДж/м²

в) не ниже 900 МПа, ударную вязкость не ниже 0,8 МДж/м²

Задача №2:

Выбрать марку стали, вид и режим термической обработки для вала двигателя. Вал должен иметь предел прочности при растяжении не ниже 700 МПа, ударную вязкость не ниже 0,7 МДж/м² . Диаметр вала:

а) 35 мм; б) 50 мм; в) 120 мм.

Задача №3:

Выбрать марку стали, вид и режим термической обработки для вала диаметром 60 мм двигателя. Предел текучести стали должен быть:

а) не ниже 600 МПа, ударную вязкость не ниже 0,7 МДж/м²

б) не ниже 800 МПа, ударную вязкость не ниже 0,8 МДж/м²

Задача №4:

Выбрать марку стали, вид и режим термической обработки для шатунов с поперечным сечением стержня 40 мм двигателя внутреннего сгорания. Сталь должна иметь предел прочности при растяжении:

а) не ниже 600 МПа, ударную вязкость не ниже 0,7 МДж/м²

б) не ниже 750 МПа, ударную вязкость не ниже 0,8 МДж/м²

в) не ниже 900 МПа, ударную вязкость не ниже 0,9 МДж/м²

Задача №5:

Выбрать марку стали, вид и режим термической обработки для изготовления коленчатых валов с диаметром шейки 60 мм двигателя. Предел текучести стали должен быть:

а) не ниже 600 МПа, ударную вязкость не ниже 0,7 МДж/м²

б) не ниже 750 МПа, ударную вязкость не ниже 0,8 МДж/м²

в) не ниже 850 МПа, ударную вязкость не ниже 0,9 МДж/м²

Задача №6:

Выбрать марку стали, вид и режим термической обработки для вала тяжелонагруженного прицепа. Вал должен иметь предел прочности не ниже 700 МПа, ударную вязкость не ниже 0,8 МДж/м² .

Диаметр вала: а) 40 мм; б) 75 мм; в) 150 мм.

Задача №7:

Выбрать марку стали, вид и режим термической обработки для зубчатых колес редуктора диаметром 50 мм. Твердость поверхности зубьев должна быть не ниже HRC 58 … 60, толщина поверхностного твердого слоя 0,7 … 0,9 мм.

Предел текучести в сердцевине должен быть:

а) не ниже 500 МПа;

б) не ниже 600 МПа;

в) не ниже 800 МПа.

Задача №8:

Выбрать марку стали, вид и режим термической обработки для стаканов цилиндров мощных дизельных двигателей, которые должны обладать повышенной износостойкостью поверхностного слоя (HV 1000 … 1050); толщина поверхностного твердого слоя 0,30 … 0,35 мм; предел текучести в сердцевине должен быть не ниже 750 МПа.

Задача №9:

Выбрать марку стали, вид и режим термической обработки поршневых пальцев диаметром 50 мм автомобильного двигателя внутреннего сгорания. Поршневые пальцы должны иметь высокую износостойкость поверхности (HRC 58 … 60), толщину поверхностного твердого слоя 1,5 … 1,8 мм. Предел текучести в сердцевине должен быть не ниже 600 МПа.

Задача №10:

Выбрать марку стали, вид и режим термической обработки для зубчатых колес редуктора диаметром 30 мм. Твердость поверхности зубьев должна быть HRC 58 … 60; толщина поверхностного твердого слоя 0,30 … 0,35 мм. Предел текучести в сердцевине должен быть не ниже 700 МПа.

Задача №11:

Выбрать марку стали, вид и режим термической обработки для поршневого пальца диаметром 15 мм двигателя мотоцикла. Поршневые пальцы должны иметь высокую износостойкость поверхности (HRC 58 … 60) и предел текучести в сердцевине не ниже 650 МПа. Толщина поверхностного твердого слоя 1,5 … 1,6 мм.

Задача №12:

Выбрать марку стали, вид и режим термической обработки для зубчатых колес диаметром 60 мм коробки перемены передач. Твердость поверхности зубьев должна быть не ниже HRC 58; толщина поверхностного твердого слоя 0,6 … 0,8 мм. Предел текучести в сердцевине должен быть не ниже 600 МПа.

Примеры выполнения домашних работ

Работа №1

Анализ фазовых превращений в двухкомпонентных сплавах

Задание:

Выполнить анализ фазовых превращений, происходящих при медленном охлаждении из области жидкого раствора до комнатной температуры в сплаве Х₁ = 80% Zn системы алюминий – цинк.

Решение:

1. Вычерчиваем диаграмму фазового равновесия (рис. 49, а).

Рис. 49. Диаграмма состояния Al – Zn (а) и кривая охлаждения для Х₁ (б)

1. Анализ фазовых превращений.

2.1. Подсчитаем число степеней свободы С для сплава Х₁ при различных температурах по правилу фаз: число компонентов К=2 (алюминий, цинк). Число фаз Ф и число степеней свободы С при различных температурах:

t  t₁ Ф=1 (Ж) С = 2-1+1=2

t – переменная,

С – переменная

t₂  t  t₁ Ф=2 (Ж,) С = 2-2+1=1

t – переменная,

С – сonst

t = t₂ Ф=3 (Ж,,) С = 2-3+1=0

t – сonst,

С - сonst

t₃  t  t₂ Ф=2(,) С = 2-2+1=1

t – переменная,

С – сonst

t₄  t  t₃ Ф=1() С = 2-1+1=2

t – переменная,

С – сonst

t = t₄ Ф=3(,,) С = 2-3+1=0

t – сonst,

С – сonst

t  t₄ Ф=2(,) С = 2-2+1=1

t – переменная,

С – сonst

2.2. С учетом полученных при расчетах данных о температурах представляется схема кривой охлаждения сплава Х₁ (рис. 49, б).

2.3. Запишем фазовые превращения, происходящие при медленном охлаждении сплава Х_1, с указанием температур превращений и соответствующих концентраций фаз:

2.4. Количество жидкой и  - твердой фаз в точке В:

Количество  и  фаз в точке 5:

Работа № 2

Анализ фазовых превращений в железоуглеродистых сплавах

Задание:

Выполнить анализ фазовых превращений, происходящих при медленном охлаждении из области жидкого раствора до комнатной температуры в сплаве состава Х₁ = 4,6 % системы железо – углерод.

Решение:

1. Вычерчиваем диаграмму состояния железо – углерод (рис. 50).

Рис. 50. Диаграмма фазового равновесия железо-углерод

2. Анализ фазовых превращений.

2.1. Подсчитаем число степеней свободы С для сплава Х₁ при различных температурах по правилу фаз.

Число компонентов К=2 (железо, углерод). Число фаз Ф и степеней свободы С при различных температурах:

t  t₁ Ф = 1 (Ж) С=2-1+1=2

t – переменная, С – переменная.

t₂ t t₁ Ф = 2 (Ж, Ц₁) С=2-2+1=1

t – переменная, С – const.

t = t₂ Ф = 3 (Ж, А, Ц) С=2-3+1=0

t – const, С – const.

t₄ t t₂ Ф = 2 (А, Ц) С=2-2+1=1

t – переменная, С – const.

t = t₄ Ф = 3 (А, Ф, Ц) С=2-3+1=0

t – const, С – const.

t  t₄ Ф = 2 (Ф, Ц) С=2-2+1=1

t – переменная, С – const.

2.2. С учетом полученных при расчетах данных о температурах представляется схема кривой охлаждения сплава Х₁ (рис. 51).

Рис. 51. Кривая охлаждения сплава Х₁

2.3. Запишем фазовые превращения, происходящие при медленном охлаждении сплава Х₁, с указанием температур превращений и соответствующих концентраций фаз:

2.4. Количественные расчеты для сплава Х₁ по правилу отрезков:

В точке 12: В точке 3: В точке 5:

Работа № 3

Проектирование композиционных материалов

с короткими волокнами

Задание № 1:

На цилиндрическую деталь летательного аппарата действует растягивающая сила N = 55000 (Н). Деталь имеет длину L = 900 (мм); площадь поперечного сечения S = 95 (мм²); масса детали М = 450 (г); рабочая температура детали t = 900 ⁰С.

Требуется:

1. Выполнить для заданной детали расчеты прочности, плотности и удельной прочности без учета материала детали.

2. Выполнить проектирование композиционного материала (КМ) для заданной детали.

Расчет № 1

1. Рассчитываем предел прочности при растяжении:

2. Определяем верхнее и нижнее значение

плотности детали (плотность КМ допускается

меньше на 10%):

1. Рассчитываем верхнее и нижнее значение удельной прочности:

Расчет № 2

Расчеты КМ для данной детали:

Материал матрицы – УУМ. Материал волокон – Al₂О₃.

1. Расчет критической длины волокон:

1. Рассчитываем объемную концентрацию волокон:

1. Рассчитываем плотность спроектированного КМ:

1. Расчет удельной прочности спроектированного КМ:

1. Проверяем выполнение необходимого условия для спроектированного КМ:

Неравенство выполняется. Делаем вывод, что КМ спроектирован правильно.

Работа № 3

Проектирование композиционных материалов

с короткими волокнами

Задание № 2:

На цилиндрическую деталь летательного аппарата действует растягивающая сила N=65000 Н. Деталь имеет длину L = 800 мм; площадь поперечного сечения S=85 кв. мм.; масса детали М = 350 г; рабочая температура детали t=250 ⁰С.

Требуется:

1. Выполнить для детали расчеты прочности, плотности и удельной прочности без учёта материала детали.

2. Выполнить проектирование композиционного материала (КМ) для заданной детали.

Исходные данные: N = 65000 Н; М = 0,35 кг; L = 0,8 м; t =250 ⁰С;

S =85^.10^-6 мм².

Выполнение расчетов:

Часть 1.

1. Определяем расчётное напряжение растяжения в детали:

1. Определяем верхнее и нижнее значения плотности детали:

1. Вычисляем верхнее и нижнее значения удельной прочности:

Часть 2.

Выбираем в качестве материала матрицы алюминиевый высокопрочный сплав 1950 (В95).

Характеристики материала:

Выбираем в качестве наполнителя керамические волокна Al₂О₃.

Характеристики наполнителя:

1. Расчёт критической длины волокон:

1. Расчёт минимальной объёмной концентрации волокон:

3. Расчёт удельных энергетических затрат на изготовление материалов матрицы и волокна:

4. Расчёт общих энергетических затрат на изготовление детали из проектируемого КМ:

5. Расчёт плотности спроектированного КМ:

6. Расчёт удельной прочности для спроектированного КМ:

Имеем

Как видно .

Вывод: Расчёт удельной прочности показывает, что для спроектированного КМ выполняется требование по удельной прочности. Таким образом, для изготовления детали можно выбрать матрицу из сплава 1950 (В95), наполнитель из керамических волокон Al₂О₃ диаметром 127 мкм и длиной 364 мкм при концентрации 27,2 об. %.

Работа № 4

Выбор стали и термической обработки деталей машин.

Задание № 1:

На вал машины диаметром 40 мм действуют напряжения кручения и изгиба. Предел текучести материала в середине детали должен быть _0,2  800 МПа.

Требуется:

1. Обосновать выбор упрочняющей термической обработки детали.

2. Обосновать выбор группы и марки стали.

3. Обосновать условия и режим термообработки.

4. Выбрать нагревательное устройство.

5. Составить технологическую маршрутную карту обработки детали.

Решение:

Исходя из условий задачи видно, что на деталь действуют напряжения изгиба и кручения, т.е. деталь находится в сложнонапряженном состоянии. Принимаем объемное упрочнение и назначаем термическую обработку, состоящую из полной закалки и высокого отпуска.

Используем группу улучшаемых конструкционных сталей, у которых прокаливаемость при закалке не менее 40 мм. Исходя из заданных численных значений предела текучести _0,2  800 МПа, принимаем группу стали для высоконагруженных деталей машин. Предварительно выбираем хромоникелевую сталь марки 40ХН. Проверка по справочным данным показала, что использование стали 40ХН при d = 40 мм обеспечивает _0,2  800 МПа. После проведенного анализа назначаем окончательно марку стали 40ХН и операции упрочняющей термической обработки, включающие полную закалку и высокий отпуск.

Назначаем режимы термической обработки.

Режим закалки:

Температура нагрева:

t_нагр = t_Ас3 +(30…50) = 820 + (30…50) =850…870 ⁰С;

время нагрева и выдержки для размера сечения 40 мм составляет при норме 1 мин./мм:

1 мин./мм  40 мм = 40 мин;

Охлаждающая среда – минеральное масло.

Режим отпуска:

По справочным материалам для стали 40ХН с целью обеспечения _0,2  800 МПа назначаем температуру отпуска 550 ⁰С. В качестве нагревательных устройств принимаем:

Закалка: камерная печь серии СНО с электрическим нагревом и воздушной атмосферой типа СНО-4.8.2,5/10, t_max=1000 ⁰С.

Отпуск: шахтная печь серии ПН с электронагревом и воздушной атмосферой типа ПН-32, t_max=650 ⁰С.

Составим технологическую маршрутную карту на операции термообработки.

Таблица 57.

Маршрутная карта термической обработки

Разраб.		Коробова Н.В.	НГТУ
Согл.
Утв.		Сорокин В.К.	Вал
МО1		Сталь 40ХН ГОСТ4543-71		0,2 = 800 МПа, d=40 мм
МО2
А 03	Закалка полная
Б 04	Электропечь СНО-4.8.2,5/10
О 05	Закалить деталь
Т 06	Поддон
07
А 08	Отпуск высокотемпературный
Б 09	Электропечь ПН-32
О 10	Отпустить деталь
Т 11	Корзинка, подвеска
12
13
14
15
МК

Работа № 4

Выбор стали и термической обработки деталей машин.

Задание № 2:

Выбрать марку стали, вид и режим термической обработки для зубчатых колес диаметром 60 мм коробки перемены передач. Твердость поверхности зубьев должна быть не менее HRC 58; толщина поверхностного твердого слоя 0,8…1,0 мм.

Предел текучести в сердцевине должен быть не менее 600 МПа.

Требуется: обосновать выбор марки стали, упрочняющей термической обработки. Назначить режимы проведения обработки, нагревательные устройства. Составить технологическую маршрутную карту термической обработки детали.

Решение: В соответствии с заданием выбираем поверхностное упрочнение: цементация, закалка и низкий отпуск. Типовая глубина упрочняемого слоя в данном случае составит 1,5…1,8 мм, что удовлетворяет заданным условиям. Выбираем сталь марки 20Х.

Упрочнение детали осуществляется проведением цементации, закалки и низкого отпуска. В соответствии со справочными данными это позволяет получить для стали 20Х предел текучести _0,2 = 700 МПа.

Принимаем на основе анализа цементуемую сталь 20Х.

Назначение режимов термообработки.

Режим цементации:

Температура нагрева – 930 ⁰С; время цементации составит 9 часов; науглероживающая среда – эндогаз.

Режим закалки:

Температура нагрева – 850 ⁰С; среда охлаждения – минеральное масло.

Режим отпуска:

Закаленные детали подвергают отпуску при 160…180 ⁰С в течение 1 часа.

Выбор нагревательных устройств.

1. Цементация.

Шахтная печь Ц-105. Вид нагрева – электрический. Атмосфера – науглероживающая. Максимальная температура 950 ⁰С.

2. Закалка.

Камерная печь СНО-4.8.2,5/10. Вид нагрева – электрический. Атмосфера – воздушная. Максимальная температура 1000 ⁰С.

3. Отпуск.

Шахтная печь ПН-32. Вид нагрева – электрический. Атмосфера – воздушная. Максимальная температура 650 ⁰С.

Составляем технологическую маршрутную карту на операции цементации и термической обработки цементованных деталей.

Таблица 58

Маршрутная карта термической обработки

Разраб.		Сдобняков Е.В.	НГТУ
Согл.
Утв.		Сорокин В.К.	Зубчатое колесо
МО1		Сталь 20Х ГОСТ4543		Диаметр 60 мм 0,2 = 800 МПа,
МО2
А 03	Цементация
Б 04	Шахтная печь Ц-105
О 05	Цементовать деталь
Т 06	Корзинка, подвеска
07
А 08	Закалка
Б 09	Электропечь СНО-4.8.2,5/10
О 10	Закалить деталь
Т 11	Поддон
12
А 13	Отпуск высокотемпературный
Б 14	Электропечь ПН-32
О 15	Отпустить деталь
МК

Справочные материалы

Таблица 47

Нагревательные устройства термических производств

машиностроения (примеры)

Обозна-чение серии	Тип нагревательного устройства	Конструк-ция устройства	Характер среды	Максимальная рабочая температура, 0С	Назначение при термообработке
Вид нагрева – электрический
СНО	СНО-4.8.2,5/10	камерная	воздушная атмосфера	1000	закалка, отжиг
СН3	СН3-3.6.2/10	камерная	защитная атмосфера	1000	закалка, отжиг
ОКБ	ОКБ-210	камерная	защитная атмосфера	1300	закалка
СШ3	СШ3-6.6/7	шахтная	защитная атмосфера	700	отпуск закаленных изделий
ПН	ПН-32	шахтная	воздушная атмосфера	650	отпуск закаленных изделий
Ш	Ш-30	шахтная	воздушная атмосфера	950	закалка
Ц	Ц-105Б	шахтная	науглероживающая атмосфера	950	цементация
США	США-6.6/6	шахтная	аммиак	600	азотирование
СВС	СВС-2.4.4/10	ванна электродная	расплавленная соль	1000	закалка
СВГ	СВГ-20/8,5	печь-ванна	расплавленная соль	850	отпуск закаленных изделий
Вид нагрева – индукционный
МГ3	МГ3-208АК	машинный генератор ТВЧ	воздух	частота тока 8000 Гц	поверхностная индукционная закалка

Таблица 48

Время нагрева и выдержки в электрических и газовых печах,

соляных ваннах при закалке стали

Сечение поперечное (диаметр детали), мм	Продолжительность, мин
	Печи электрические	Печи газовые		Соляные ванны (жидкая среда)
	Нагрев и выдержка	Нагрев	Выдержка	Нагрев	Выдержка
25	1,0 на 1 мм сечения	20	5	7	3
50		40	10	17	8
100		80	20	33	17
150		120	30	50	25
200		160	40	65	35

Таблица 49

Группы улучшаемых конструкционных сталей по степени нагруженности

деталей машин и механическим свойствам после закалки и высокого отпуска

Улучшаемые стали (основные разновидности, примеры марок)	Механические свойства сердцевины
	Предел прочности, в, МПа	Предел текучести, 0,2, МПа
1. Малонагруженные детали машин (прокаливаемость при закалке в сечениях до 10-12 мм; 0,2  600 МПа).
Углеродистые стали марок 35,40,45	600…700	400…600
2. Средненагруженные детали машин (прокаливаемость при закалке в сечениях до 20-50 мм; 0,2  850 МПа).
Хромистые: 40Х, 45Х Марганцовистые: 45Г2 Хромомарганцовистые (дополнительно вводят титан или бор): 30ХГТ; 40ХГР	900…1100	700…850
3. Высоконагруженные детали машин (прокаливаемость при закалке в сечениях до 75-100 мм; 0,2  1100 МПа).
Хромоникелевые: 40ХН Хромоникельмолибденовые: 40ХН2М Хромоникельмолибденованадиевые: 38ХН3МФА	1000…1200	800…1100

Таблица 50

Механические свойства некоторых типовых конструкционных

среднеуглеродистых сталей после закалки и высокого отпуска

при температуре 540…600 ⁰С

Марка улучшаемой стали	Оптовая цена*	tзак, 0С	Среднее значение критического диаметра, мм**	Предназначены для деталей с поперечным сечением, мм	Механические свойства
					0,2, МПа	в, МПа	НВ
40	1,0	830	12	15…20	450	660	167…207
45	1,0	810	12	15…20	490	730	205…210
40Х	1,2	860	15	25…35	800	900	163…168
40ХН	1,6	820	25	50…75	800	1000	166…170
30ХГС	1,4	880	25	50…75	980	1080	207…217
40ХН2М	2,1	850	100	75…100	950	1050	280…310
38ХН3МФА	2,6	850	100	100…200	1070	1150	230

Примечания:

* Относительные единицы: за 1,0 принята оптовая цена углеродистой качественной стали;

** Диаметр образца, закаливающегося насквозь с получением в центре микроструктуры из 90% мартенсита и 10% троостита.

Таблица 51

Основные способы поверхностного упрочнения деталей машин

Типовая глубина упрочняемого слоя, мм	Упрочняющая обработка	Твердость поверхностного слоя
		HV	HRC
0,1…0,2	Борирование	1800…2000	-
0,3…0,5	Азотирование	850…1050	65…68
0,2…0,8	Нитроцементация, закалка и низкий отпуск	-	58…64
0,5…1,0	Лазерное термоупрочнение	950…1200	67…72
1,5…1,8	Цементация, закалка и низкий отпуск	-	58…62
1,5…2,0	Объемно-поверхнастная закалка и низкий отпуск	-	58…61
1,6…5,0	Поверхностная индукционная закалка ТВЧ и низкий отпуск	-	45…55

Таблица 52

Группы цементуемых конструкционных сталей по степени

нагруженности деталей машин и механическим свойствам

сердцевины деталей после цементации, закалки и низкого отпуска

Типовые примеры марок цементуемых сталей	Механические свойства сердцевины деталей
	Предел прочности в, МПа	Предел текучести 0,2, МПа
1. Малонагруженные детали машин (прокаливаемость при закалке малая; 0,2  300 МПа)
Углеродистые стали марок 10, 15, 20	380…460	245…300
2. Средненагруженные детали машин (прокаливаемость при закалке в сечениях 10…20 мм; 0,2  700 МПа)
Легированные стали марок 15Х, 20Х, 15ХР, 20ХН и др.	730…830	590…700
3. Высоконагруженные детали машин (прокаливаемость при закалке в зависимости от марки стали от 20 до 100 мм; 0,2  1080 МПа)
Легированные стали марок 25ХГТ, 20ХГР, 25ХГМ, 12ХН3А, 12Х2Н4А, 15ХГН2ТА, 20ХН2М и др.	980…1270	830…1080

Таблица 53

Характеристики основных видов поверхностного упрочнения

Операции упрочняющей термической обработки	Типовая глубина упрочняемого слоя		Твердость поверхностного слоя		Поперечное сечение детали, мм	Предел текучести сердцевины 0,2, МПа	Примеры типовых марок сталей
			HV	HRC
Химико-термическая обработка
Цементация, закалка и низкий отпуск		1,5…1,8	-	58…62	До 50…60	390…830	20Х, 25ХГТ, 20ХН2М и др.
Нитроцемен-тация, закалка и низкий отпуск		0,2…0,8	-	58…64	До 30	930	35Х, 25ХГМ, и др.

Продолжение таблицы 53

Борирование	0,1…0,2	1800… 2000	-	До 150	Зависит от марки стали и термообработки		Конструк-ционные стали (40Х, 30ХГСА и др.)
Азотирование	0,3…0,5	850… 1050	65…68	До 60…200	880…590		38Х2МЮА и др.
Поверхностная термическая обработка
Поверхностная индукционная закалка (закалка с нагревом ТВЧ) и низкий отпуск	1,6…5,0	-	45…55	40…100		375	40Х, 45 и др.
Объемно-поверхностная индукционная закалка с глубинным нагревом и низкий отпуск	1,5…2,0	-	58…61	6		1850	55ПП
Лазерная закалка (термоупрочнение) и низкий отпуск	0,5…1,0	950… 1200	67…72	16…25		460…780	45, 45Х и др.

Таблица 54

Механические свойства в сердцевине некоторых типичных цементуемых

сталей после цементации и низкого отпуска при 180…200 ⁰С

(по данным Ю.М. Лахтина)

Марка стали	Рекомендуемое максимальное поперечное рабочее сечение, мм	Температура закалки, 0С	Механические свойства
			в, МПа	0,2, МПа	, %	, %
20Х	35	820	650	800	11	40
18ХГТ	35	870	900	1000	9	50
20ХГР	40…60	880	800	1000	9	50
20ХГМ	60…80	860	1100	1200	10	45
30ХГТ	60…80	850	1300	1500	9	40
12Х2Н4А	100…120	800	110	1300	9	45
18Х2Н4МА	более 120	860	850	1150	12	50

Таблица 55

Данные по поверхностной индукционной закалке

Диаметр изделия, мм	Рекомендуемая глубина закаленного слоя, мм		Глубина закаленного слоя, мм	Рекомендуемая частота тока, Гц
40	1,6…3,1		1,5	25000*
60	2,3…3,9		2,0	15000*
80	2,6…4,5		3,0	8000**
100	2,9…5,0		4,0	4000**

Генератор тока: ^* ламповый или

машинный; ^** машинный.

Некоторые виды поверхностного упрочнения деталей машины

Газовая цементация. При проведении цементации используются различные науглероживающие газы и жидкие карбюризаторы (бензол, кероснн, синтин и др.), которые подают каплями в шахтные печи; при их разложении образуется газ (расход газа 0,9…1,2 м³/ч). В массовом производстве (автомобилестроение и др.) часто применяют получаемый в генераторах эндотермический газ (эндогаз) состава (мас. %): 19...23 СО; 1СН₄; 0,2СО₂; 39…44 Н₂; 33…37 N₂. Для эндогаза существует функциональная зависимость между достигаемым при цементации содержанием углерода в стали и количеством Н₂О или СО₂ в газе, что позволяет автоматически регулировать состав газа для получения требуемого содержания углерода в поверхностном слое деталей (обычно 0,8...1,1 % С).

Температура газовой цементации составяяет 910...930 ⁰С. Продолжительность процесса зависит, кроме глубины слоя, также от ряда других факторов: состава газа, величины садки в печи, толщины деталей и др. На скорость цементации оказывает влияние и химический состав цементуемых легированных сталей. Данные ЗИЛа при газовой цементации деталей из стали 25ХГТ в безмуфельной печи СЩЦ при 930 ⁰С. (табл. 56).

Таблица 56

Глубина слоя и время цементации

Глубина слоя, мм	0,5…0,7	0,6…0,9	0,9…1,3	1,2…1,6
Время цементации, часов	6	7	9	12

В промышленности широко применяют следующую технологию газовой цементации: первый этап - более активная цементация в смеси эндогаза с добавками природного газа; второй этап - цементация только в эндогазе. Это сокращает общую продолжительность цементации. Для газовой цементации применяются периодические шахтные электропечи серии Ц и печи непрерывного действия. В шахтных печах внутрь нагревательной камеры устанавливается реторта, в которую помещаются детали и подается жидкий карбюризатор (40…60 капель/мин). При цементации в шахтных печах глубина слоя 1,3…1,6 мм достигается за 6…8 часов при 920 ⁰С.

Термическая обработка цементированных деталей. При проведении газовой цементации в печах непрерывного действия после ее завершения, детали несколько охлаждают в печи до 830…860 °С (подстуживание), т.е. до температуры закалки выше Ас₃ сердцевины деталей, а затем закаливают с охлаждением в минеральном масле (легированные стали). После цементации в шахтных печах детали обычно охлаждают на воздухе до комнатных температур, а далее закаливают отдельно с нагревом в других печах без защитной атмосферы. Закаленные детали подвергают отпуску при 160…180 °С в течение 1…2 часов. Используются и другие разновидности цементации и схемы термической обработки, рассматриваемые в литературе по термической обработке.

Нитроцементация. Процесс насыщения поверхностных слоев деталей углеродом (0,65…0,95 %) и азотом (0,35…0,40 %) ведется в печах непрерывного действия в газовой среде из 80…90 % зндогаза, 5…8 % природного газа; 2…7 % аммиака при 840…870 °С. Длительность процесса при 850 °С для получения слоя 0,5…0,7 или 0,8…1,0 мм составляет соответственно 5 и 9 ч. Далее детали несколько подстуживают до 820...830°С и проводят ступенчатую закалку с охлаждением в масляной или щелочной ванне ("горячая'' среда с температурой 170…190°С), а затем низкий отпуск при 160…180°С. Нитроцементация может проводиться в шахтных печах с подачей каплями жидкого триэтаноламина (С₂Н₃О)N.

Азотирование деталей из легированных сталей. Процесс азотирования применяют для деталей, работающих на износ и воспринимающих знакопеременные нагрузки (детали дизелей, авиамоторов и др.). Применение при азотировании имеет специальная сталь 38Х2МЮА и др. С целью ускорения процесса, используют двухступенчатый режим азотирования в диссоциированном аммиаке: I - при 500...520 °С 12 ч (степень диссоциации аммиака 20…40 %}; 2 - при 550…570 °С 42 ч (степень диссо­циации 50…60 %). При этом обеспечивается глубина слоя 0,5…0,7 мм и твердость поверхностного слоя по Виккерсу НV 950…1000. После азотирования дополнительную термообработку не проводят. Для азотирования широко применяются шахтные печи. Внутри нагревательной камеры устанавливается герметически закрытая реторта (муфель), в которую из баллона подается аммиак. Аммиак при нагреве диссоциирует с образованием атомов азота и водорода.

Снижение продолжительности азотирования в 1,6…2,0 раза достигается в случае применения ионного азотирования в тлеющем разряде. Деталь подключают в качестве катода в цепь постоянного тока высокого напряжения 500…1500 В, а анод помещают над деталями или вокруг них. В герметичную камеру вводят аммиак и поддерживают низкое давление.

Возбуждается тлеющий разряд, атомы азота ионизируются и бомбардируют поверхность детали, нагревая ее до 500…550 °С и насыщая азотом.

Лазерное термоупрочнение. При термической обработке лазерным нагревом используются газовые и твердотельные лазерные установки, которые имеют системы транспортировки и фокусировки луча лазера, механизмы перемещения изделий по заданному режиму. При воздействии лазерного луча на поверхность происходит поглощение и передача энергии высокой концентрации тонкому поверхностному слою, соответствующий нагрев выше Ас₁ и Ас₃, возможно плавление и переход в жидкое состояние тонкого поверхностного слоя. В процессе охлаждения нагретого участка путем теплоотвода холодной массой изделия без применения специальной охлаждающей среды, создается скорость охлаждения до 1000 градусов в секунду (_охл. _{крит.зак.}), происходит фазовое превращение аустенита в мартенсит, то есть закалка. Непосредственно у поверхности микроструктура состоит из мелкоигольчатого мартенсита, небольшого количества остаточного аустенита и высокодисперсных карбидов. В более глубокой переходной зоне образуется структура из мартенсита, троостита и карбидов.

При лазерной обработке в непрерывном режиме параметрами технологии являются мощность излучения N_изд., диаметр пятна луча D, скорость перемещения V луча относительно обрабатываемой поверхности изделия (по ГОСТ ЕСТД 3.1405-86).

Для деталей из стали 45 при N_изд = 700…1000 Вт, V = 4....12 мм/с, глубина закаленного слоя =0,5... 1,0 мм (по данным ЭНИМС). Штампы из стали У8 обрабатывали при N_изд = 600 Вт, V =12 мм/с, D=3 мм с получением =0,9 мм; твердость поверхности составляет НV 950…1100 МПа.