Глава 6. задачи по выбору СТАЛЕЙ И ЧУГУНОВ для деталей машин и конструкций и технологий их упрочняющей обработки

6.1. Общие принципы и порядок действий при выборе материалов
и технологий упрочняющей обработки деталей машин

Материаловедение решает задачи оптимального выбора материалов для конкретного применения в деталях машин и конструкциях на основе правильного использования известных взаимосвязей между составом материала, технологией его обработки при металлургическом, механическом и термическом переделах, формирующейся структурой и комплексом свойств готового изделия.

Профессиональная обязанность материаловеда-технолога – уметь тех­нически грамотно и обоснованно решать задачи по выбору материала для кон­кретной детали и технологии её обработки, обеспечивающей необходимую структуру и требуемые свойства готового изделия. Обычно задание на выбор материа­ла и технологии его обработки исходит от конструктора, который формирует перечень требуемых эксплуатационных и технологических показателей (в виде цифр и пожеланий). Однако подобные формулировки практически всегда ока­зываются неполными, а иногда и не совсем точными. Поэтому материаловеду зачастую приходится решать такую задачу в ситуации неполной информации условий работы данной детали, не имея исчерпывающих представлений об уровне функциональных свойств используемого материала.

Принятию решения по выбору нужного материала (из числа имеющих­ся) обычно предшествует обстоятельный сбор более полной информации и последующий тщательный её анализ по поводу существующей конструкции или имеющегося агрегата, для которых предназначена искомая деталь. Такой информационный задел может включать сведения о зарегистрированных недостатках, отказах и поломках. Полезными также являются данные о том, представляет ли изделие собой оригинальную конструкторскую разработку или ока­зывается усовершенствованием уже освоенной. Кроме того, важно знать, опре­деляет ли материал качество и технологичность конструкции решающим обра­зом или же он обеспечивает вторичные функции. Приходится, наконец, учиты­вать и другие немаловажные факторы – предполагаемый объем производства и соответственно планируемое потребление материала, экономические и другие разумные соображения.

В рамках данного учебного пособия возможные ситуации по выбору подходящего материала ориентированы на поиск такового из числа уже извест­ных и освоенных промышленностью. Обычно каждый случай решения задачи по поиску нужного материала и приемлемого технологического режима имеет вполне индивидуальный характер, поскольку касается конкретной ситуации. Тем не менее сама процедура изыскания материала подчиняется определенному алгоритму и включает осуществление ряда последовательных действий. Отме­тим наиболее существенные из них.

1. Оценить условия работы детали и определить перечень требуемых свойств и их числовые показатели. Обычно принимаются во внимание ряд стандартных механических, физико-химических технологических и специальных (служебных) характери­стик (например, показатели прочности и пластичности, величина удельного электросопротивления, обрабатываемость резанием, свариваемость, износостойкость и т.д.).

Анализируя свойства различных материалов для изготовления детали машины, например коленчатого вала двигателя грузового автомобиля, необхо­димо прежде всего установить, какие напряжения испытывает коленчатый вал при работе в эксплуатации, работает ли деталь на растяжение, изгиб, сжатие, срез, скручивание, трение в сочетании со сложными знакопеременными нагрузками, вызывающими усталость металла; испытывает ли деталь динамические, удар­ные напряжения.

2. Определить группу материалов по следующим видам: конструкци­онные стали общего назначения, инструментальные стали, специальные стали и сплавы (жаропрочные, нержавеющие, износостойкие и проч.), чугуны, цветные сплавы.

Для помощи в решении этого вопроса обычно следует использовать помимо настоящего пособия тех­нические справочники и учебную литературу, где приведены данные о пример­ных назначениях сталей, сплавов, неметаллических материалов для различных изделий. В настоящем учебном пособии приведены наиболее распростра­ненные и доступные сведения о разнообразных металлических материалах. В случае надобности иметь более полные и подробные сведения можно восполь­зоваться приведённым библиографическим списком. В некоторых случаях уда­ётся почерпнуть полезную информацию из оригинальных научных публикаций в журналах или из монографий.

3.  Следует учитывать экономические соображения – если для данного типа деталей можно использовать несколько различных марок, например, ста­лей, то выбирается наименее легированная, но обеспечивающая прокаливаемость заданного конкретного сечения. И наоборот, дорогостоящие легирован­ные стали, содержащие Ni, Мо, W, V, или цветные сплавы следует рекомендо­вать лишь в тех случаях, когда выбор более дешевых материалов неспособен обеспечить требования, обусловленные заданием.

4.  Важно учитывать технологические свойства (например, штампуемость, способность воспринимать закалку на определённую глубину, обраба­тываемость резанием, шлифуемость, свариваемость, склонность к отпускной хрупкости, способность к поглощению водорода при нагреве и т.д.) – это позволяет использовать более производительные эко­номичные процессы. В результате удается не только улучшить функциональ­ные характеристики изделия, но и снизить трудоёмкость его изготовления, сократить расход материалов (например, за счет уменьшения доли отходов), топ­лива и электроэнергии.

5. Окончательные свойства, а также свойства на стадии технологическо­го передела изделия могут обеспечиваться термической обработкой, операция­ми ОМД, резания, сварки или определёнными видами комбинированных обработок (термомеханической, химико-термической). Поэтому важную роль сле­дует отвести подбору приемлемых технологических режимов обработки, учи­тывая, что возможность регулирования структуры позволяет управлять свойст­вами в нужном направлении.

Выбор того или иного материала для конкретного изделия или конст­рукции будет рациональным и экономически эффективным, если при мини­мальном легировании обеспечивается требуемый уровень конструктивной прочности, а удорожание материала в результате легирования и изменения тех­нологии производства не будет превышать экономический эффект, достигае­мый посредством следующих технико-экономических факторов:

- обеспечения необходимой надёжности и долговечности (хладостойкость, сопротивление усталости, износостойкость и т.п.);

- получения новых технологических и эксплуатационных свойств (на­пример, коррозионной стойкости, жаропрочности, свариваемости и проч.);

- уменьшения массы;

- снижения расходов на изготовление, монтаж, транспортирование и эксплуатацию.

Подобные соображения оказываются вполне целесообразными при ре­шении практической задачи, связанной с выбором подходящего материала и назначением обоснованной технологии, необходимых для надёжной и длитель­ной работы данного изделия без разрушения в условиях эксплуатации.

Теоретической базой таких связей являются соответствующие разделы физики и химии. Экспериментально отработанные на их основе инженерные по­ложения о взаимосвязи свойств с составом и обработкой мате­риала, с одной стороны, формирующейся структурой материала и его комплексом свойств – с другой, являются материаловедческой основой его выбора и тех­нологий, формирующих свойства материала в деталях (упроч­няющая обработка).

Выбранный материал должен обеспечивать успешную работу детали в конструкции (изделии); после упрочняющей обработки свойства его должны обеспечивать требуемое от изделия качест­во, прежде всего по показателям надежности в соответствующих условиях эксплуатации. В свою очередь показатели надежности находят свое выражение в требованиях, предъявляемых к изделию в целом и каждой детали в отдельности. Такие требования, как уже указывалось (см. гл. 2), применительно к производству формулируются в основ­ном по показателям стандартных испытаний; что же касается экс­плуатационных свойств, то они учитываются либо косвенно (че­рез оценочные характеристики), либо непосредственно, нередко в качественной постановке.

Итак, первый и основной принцип выбора материала дета­ли – необходимость удовлетворения предъявляемых к ней требо­ваний и обеспечение заданной надежности изделия во всех режи­мах его эксплуатации.

Следующим важным принципом выбора материала и упроч­няющей технологии является экономическая эффективность. Это широкое и не всегда однозначное понятие. Говоря об экономиче­ской эффективности, обычно имеют в виду обеспечение миниму­ма стоимости. Последняя в обобщенном виде характеризует за­траты на производство. Немаловажной в этом отношении являет­ся технологичность материала при изготовлении детали (обрабатываемость резанием, штампуемость и пр.).

Вместе с тем к экономической эффективности можно отнести и материалоёмкость, которая прямо связана со стоимостью; она, кроме того, отражается на энергозатратах при использовании из­делия по назначению, что опять-таки влияет на стоимость через затраты на эксплуатацию. В ряде же случаев, например в лета­тельных и водоплавающих аппаратах, материалоемкость деталей приобретает самодовлеющее значение, поскольку непосредствен­но связана с эффективностью их использования.

При выборе материала важно также учитывать дефицитность его самого, равно как и дефицитность входящих в него компо­нентов (наличие в стране, распространённость в природе).

Наконец, при выборе материала и технологии упрочняющей обработки соответствующей детали следует учитывать необходи­мость охраны труда и окружающей среды. Материал как таковой, его исходные и побочно получаемые продукты не должны нано­сить ущерб здоровью человека (токсичность) и вред окружающей среде (экологическая безопасность).

Ниже приведены типичные задачи по выбору материалов и упрочняющих технологий для конкретных деталей машин. Задачи сгруппированы в 15 вариантов, составленных таким образом, что каждый комплект содержит 5 заданий по одному из классов материалов, рассмотренных в настоящем учебном пособии, и охватывает основные промышленные металлические сплавы (конструкционные, инструментальные, специальные стали и чугуны). Принципы выбора материалов и справочные данные для решения указанных задач приведены в гл. 1–5 настоящего пособия. Кроме того, рекомендуется использовать марочники, справочники и энциклопедии материалов, указанные в списке литературы.

Задания по выбору металлических сплавов и упрочняющих технологий деталей машин и инструмента

 

Вариант 1

1.1. Гильзы цилиндров двигателей внутреннего сгора­ния большой мощности должны иметь на рабочей поверхности высокую твердость (НV = 950¸1000). Одновременно требуются высокие механические свойства в стенке гильзы толщиной 15 мм (σ_0,2 ≥1000 МПа). Выбрать марку материала и рекомендовать технологию термической и химико-термической обработок, обеспечивающих получение требуемых свойств и качества поверхности.

1.2. Точные штампы для холодной штамповки должны обладать высокой износостойкостью и способностью к минимальной деформации при термообработке. Выбрать марку материала и предложить технологию термической обработки, охарактеризовать структуру и служебные свойства штампов.

1.3. Выбрать материал для изготовления зубьев ковшей экскаваторов и дробящих плит щековых дробилок, эксплуатирующихся в условиях интенсивного ударно-абразивного изнашивания. Назначить и обосновать технологию производства указанных деталей, описать структуру и механические свойства материала.

1.4. Выбрать экономичный материал для изготовления коленчатого вала легкового автомобиля (σ_в ≥ 400 МПа, δ ≥ 3 %) и обосновать тех­нологический процесс его изготовления. Описать структуру и физико-механические свойства материала.

1.5. Детали электрических трансформаторов изготовляют из листового магнитомягкого материала. Привести состав выбранного материала, технологию его обработки, структуру и свойства.

Вариант 2

2.1. Выбрать марку материала для пружины подвески легкового автомобиля сечением 15 мм, имеющего σ_-1 на базе 10⁶ циклов не менее 450 МПа и σ_0,2 не менее 1000 МП, и назначить последовательность технологических операций термической обработки пружины для получения оптимальных свойств.

2.2. Пневматические долота должны обладать высокой твёрдостью
(HRС = 56¸58), износостойкостью и достаточной вязкостью, так как подвергаются ударно-циклическим нагрузкам. Выбрать марки материала и обосновать режимы термической обработки небольших долот простой формы (Ø 10 мм) и крупных сложной формы (Ø 20 мм).

2.3. Рекомендовать состав материалов и технологию их обра­ботки для сосудов, предназначенных для хранения сжиженных газов и работающих до –70 °С и до –259 °С (жидкий водород). Описать их структуру и механические свойства.

2.4. Завод изготавливает литые шестерни диаметром 350 мм и высотой
80 мм двух типов: а) шестерни с пределом прочности при растяжении не ниже 250 МПа и пределом прочности при изгибе не ниже 450 МПа; б) шестерни с пределом прочности при растяжении не ниже 350 МПа и пределом прочности при изгибе не ниже 550 МПа.

Выбрать дешёвые сплавы с хорошими литейными свойствами для изготовления шестерён и технологию их обработки. Объяснить, ка­кую структуру должен иметь сплав, чтобы обеспечить требуемые свойства. Объяснить, по каким причинам технологического и эконо­мического характера применение сталей в данном случае менее це­лесообразно.

2.5. Диски газовых турбин нагреваются в работе до 650 ⁰С и работают при этой температуре длительное время. Рекомендовать марку стали и назначить технологические режимы изготовления де­талей из неё. Привести структуру и свойства материала при рабочей температуре.

Вариант 3

3.1. На заводе серийно изготавливаются зубчатые колёса ре­дуктора диаметром 60 мм и высотой 80 мм (σ_0,2 ≥ 550 МПа), спо­собные иметь высокую контактную выносливость. В связи со слож­ной формой зуба шлифование после обработки исключено. Выбрать сталь, обосновать выбор термической и химико-термической об­работки, учитывающей необходимость минимальной деформации, и указать структуру и свойства.

3.2. Завод изготавливает детали при различных условиях ре­зания: резцами с большой скоростью резания обрабатывается леги­рованная сталь с твёрдостью НВ 300¸350; резьбовыми фрезами с умеренной скоростью стали твёрдостью
НВ 200¸220; плашками диаметром 50 мм нарезается резьба у болтов с твёрдостью НВ 120¸140. Подобрать марку сплава (стали) для каждого из этих инструментов, обосновать выбор режимов их обработки и срав­нить основные свойства.

3.3. Выбрать материалы и технологию изготовления из них вы­пускных клапанов двигателей внутреннего сгорания: а) бензиновых двигателей (нагрев
до 500 °С); б) мощных  дизельных двигателей (нагрев в работе до 650 °С). Описать структуру и механические свойства мате­риалов.

3.4. Блоки цилиндров двигателей трактора изготавливают из чугуна с твёрдостью НВ 170¸241 и повышенной прочностью и износо­стойкостью. Выбрать марку чугуна и технологию его обработки, при­вести его состав, структуру и механические свойства. Каковы дол­жны быть требования к химическому составу и структуре чугуна, ес­ли цилиндры нагреваются в работе до 500 °С ?

3.5. Выбрать сталь для изготовления из неё сварного корпуса морского катера со значением σ_0,2 ≥ 350 МПа и режим её термической обработки.

Вариант 4

4.1. Поршневые пальцы диаметром 30 мм работают на изгиб, срез и должны иметь высокую износостойкость и чистоту поверх­ности. Выбрать марку материала,  назначить режим его обработки, указать структуру и свойства.

4.2. Измерительные инструменты плоской формы (шаблоны, ле­кала, линейки) изготавливают из листовой стали путём вырубки за­готовок. Такой инструмент должен обладать износостойкостью и стабильностью размеров. Выбрать марку стали и технологию её об­работки, указать структуру и свойства.

4.3. Рекомендовать стали для пароперегревателей котлов высо­кого давления, работающих длительное время в условиях: а) при тем­пературе 565 °С и давлении 25,5 МПа; б) при температуре 600 °С и давлении 50 МПа. Указать технологию обработки, структуру и физико-механические свойства сталей при нормальной и рабочей температурах.

4.4. Картеры заднего моста мощных грузовиков изготавливают из чугуна с величиной относительного удлинения δ≥10 %. Выбрать марку чугуна, технологию его обработки и указать его структуру и механические свойства.

4.5. Выбрать мате­риал для корпуса легкового автомобиля, получаемого холодным прессованием, и указать технологию его обработки, структуру и свойства.

Вариант 5

5.1. Выбрать стали для изготовления валов редуктора диамет­ром 50 мм. Для одного вала требуется КТ-350, для другого КТ-500. Назначить режимы механической и термической обработки и привес­ти данные о структуре и механических свойствах.

5.2. Выбрать материал для изготовления молотового штампа горячей штамповки (размерами 500 х 400 х 450 мм), рекомендовать технологию механической и термической обработки штампа и указать микроструктуру и свойства в рабочем состоянии.

5.3. Некоторые летали шасси гидросамолётов изготавливают из высокопрочной коррозионно-стойкой стали (σ_в ≥ 1200 МПа). Выбрать материал и технологию обработки детали, привести структуру и механические свойства.

5.4. Выбрать марку чугуна для изготовления литой станины станка, имеющей неодинаковую толщину в разных сечениях. Требуе­мое значение
σ_в ≥ 225 МПа. Указать режим обработки станины, учиты­вающий необходимость минимизации остаточных напряжений и деформа­ций в процессе изготовления и эксплуатации станка.

5.5. Выбрать материал для насоса, перекачивающего химически активную массу в условиях абразивного и корродирующего действия перекачиваемых масс и технологию его обработки, привести структуру и механические свойства.

Вариант 6

6.1. Коленчатые валы мощных двигателей диаметром 50 мм должны иметь КТ-500, КСU ≥ 0,5 МДж/м². Кроме того, вал должен обладать повышенной износостойкостью в подшипниковых шейках. Выбрать марку материала и обосновать режим его механической и терми­ческой обработки, а также привести структуру и свойства сердце­вины и рабочей поверхности вала.

6.2. При выборочном контроле метчиков из стали У12А обнару­жена пониженная твёрдость, НRС = 50. Указать возможные причины брака, если термическая обработка метчиков состояла в закалке и отпуске 180 °С, 1,5 ч, и назначить правильный режим обработки.

6.3. Выбрать материалы для лопаток паровых турбин, работающих в условиях воздействия пара и влаги при температурах: а) 450 °С, б) 625 °С. Указать режим обработки, микроструктуру и физико-механические свойства в готовых изделиях.

6.4. Ступицы переднеприводных легковых автомобилей имеют сложную форму и подвергаются знакопеременным нагрузкам. Выбрать технологичный материал, имеющий σ_в  ≥ 500 МПа и обладающий демпфирующими свойствами, назначить режимы его обработки, привести структуру и свойства.

6.5. Рекомендовать материал с повышенной вязкостью для деталей холодильных машин, работающих при температурах до –180 °С, назначить режимы его обработки, привести структуру и свойства.

Вариант 7

7.1. Партия шестерён коробки передач самосвала грузоподъем­ностью 100 т была забракована вследствие низкой твёрдости цемен­тированного слоя (сталь 20Х2Н4А, твёрдость HRС = 56), а рентге­ноструктурный анализ показал наличие большого количества остаточного аустенита. При металлографическом анализе обнаружено нали­чие карбидной сетки, Предложить режим термической обработки стали, гарантирующий получение качественной структуры рабочего слоя шестерён.

7.2. Молотки должны обладать высокой твёр­достью (HRС = 56¸58), износостойкостью и достаточной вязкостью, так как подвергаются ударным нагрузкам. Выбрать марку материала и обосновать режимы термической обработки молотка, указав структуру.

7.3. Выбрать материал для сварных ёмкостей, предназначенных для хранения растворов азотной кислоты, и технологию его обработки. Указать структуру и физико-механические свойства.

7.4. Выбрать дешёвый материал для крупных литых шестерён двух типов: с σ_в≥250 МПа, б) с σ_в≥350 МПа. Предложить технологию изготовления шестерён, привести сведения о структуре и свойствах сплава.

7.5. Клапаны двигателей внутреннего сгорания работают при температуре нагре­ва до 550 °С, в условиях повторных ударов и корродирующего действия выхлопных газов. Выбрать материал и назначить технологию изготовления клапанов, привести сведения о структуре и свойствах.

Вариант 8

8.1. Выборочный контроль шатунов из стали 45, закалённых в воде, показал, что часть деталей имеет пониженную твёрдость (HRС = 30¸42) и структуру мартенсит + феррит или мартенсит + троостит. В чём допущено нарушение технологического режима за­калки и как следует исправить брак?

8.2. Выбрать материал для шестерён двух типов, подвергающихся действию знакопеременных и ударных нагрузок. Наибольший размер сечения 50 мм. Для первого типа шестерён σ_в ≥ 650 МПа, для второго – σ_в ≥ 900 МПа. Для обоих типов шестерён К_1с ≥ 70 МПа/м^1/2. Предложить технологию изготовления шестерён, привести сведения о структуре и свойствах материалов.

8.3. Штампы сложной формы, имеющие внутреннее отверстие, должны иметь минимальную деформацию при термообработке. Выбрать материал и режим его обработки, обеспечивающие уменьшение деформации, описать структуру и свойства.

8.4. Завод изготовляет детали сложной формы, которые должны обладать демпфирующими и антифрикционными свойствами и относительным удлинением не менее 5 %. Выбрать материал и режим его обработки, описать структуру и свойства.

8.5. Выбрать материалы для деталей установок расщепления нефти, не испытывающих больших нагрузок, но нагревающихся в работе до 450 и 600 °С. На­значить технологический процесс изготовления деталей и указать микроструктуру и свойства готовых деталей.

Вариант 9

9.1. Выбрать материал для шестерён авиадвигателей, подвергающихся действию знакопеременных, ударных нагрузок и износа. Наибольший размер сечения 30 мм. Для первого типа шестерён σ_в ≥ 1000 МПа. Для обоих типов шестерён К_1с ≥ 80 МПа/м^1/2, твёрдость поверхности HRС = 58¸61. Предложить технологию изготовления шестерён, привести сведения о структуре и свойствах сердцевины и поверхности.

9.2. Выбрать материал для изготовления пуансона горячего выдавливания в матрице, подвергающегося длительным нагревам, указать режим обработки, структуру и свойства изделия.

9.3. Выбрать материал для печных нагревателей, работающих при температурах до 1050 °С, и указать технологию его обработки, струк­туру и физико-механические свойства.

9.4. Выбрать марку материла для изготовления станины станка сложной формы, испытывающей вибрационные нагрузки. Требуемое значение
σ_в ≥ 200 МПа. Указать режим обработки станины, учитывающий необходимость минимизации остаточных напряжений и деформаций в процессе изготовления и эксплуатации станка и обеспечивающий твёрдость направляющих
не менее 45 HRС.

9.5. Выбрать марку материла для камер сгорания турбореактивных двигателей, изготовляемых сваркой и работающих в условиях окислительного действия среды с нагревами до 850 °С и минимальным уровнем напряжений, режим его обработки, структуру и свойства.

Вариант 10

10.1. Какие стали для цементируемых шестерён можно предложить из следующего ряда: 38ХМЮА, 20Х, 40Х, Х, 38ХС? Назначить характерный режим обработки шестерни из выбранной стали и указать микроструктуру и твёрдость рабочей поверхности детали.

10.2. Завод должен изготовить долбяки, обрабатывающие конструкционные стали твёрдостью НВ 200¸230. Выбрать материал с учётом, что долбяки работают с динамическими нагрузками и имеют сечение 60 мм. Назначить полный режим термической обработки и указать структуру и твёрдость готового инструмента.

10.3. Для сварных металлических конструкций сечением 12¸20 мм, работающих при климатических температурах до –50 С, необходимо выбрать материал, имеющий гарантированный предел текучести _0,2  450 МПа, и указать технологию его обработки и окончательную структуру.

10.4. Лемеха плугов и стойки предплужников изготовляют методом литья из дешёвого сплава, у которого σ_в ≥ 350 МПа, δ ≥ 12 %. Выбрать материал, указать технологию его обработки и окончательную структуру.

10.5. Какой материал следует использовать для лопаток газовых турбин турбогенераторов (температура нагре­ва в работе до 600 °С). Выбрать состав сплава, назначить режимы обработки и привести свойства при рабочих температурах.

Вариант 11

11.1. Валы гидротурбин диаметром 80 мм, испытывающие в работе значительные напряжения, должны обладать высокими характеристиками прочности (s_0,2 ³ 750¸800 МПа, предел выносливости не менее 300¸350 МПа при повышенной вязкости). Выбрать материал, назначить режим термической обработки, указать структуру и механические свойства.

11.2. Выбрать материал для изготовления червячных фрез, обрабатывающих конструкционные стали твёрдостью НВ 220¸240. Определить химический состав, полный режим термической обработки и указать структуру и твёрдость готового инструмента.

11.3. Цилиндрические пружины железнодорожных вагонов с толщиной проволоки 15 мм и высотой пружины более 100 мм обычно изготавливаются навивкой в горячем состоянии. Выбрать марку материала, привести химический состав, указать режим обработки, механические свойства и микроструктуру готовой пружины.

11.4. Выбрать материал для изготовления червячных колёс сложной формы с антифрикционными свойствами и σ_в ≥ 600 МПа, относительным удлинением
не менее 3%. Выбрать материал и режим его обработки, описать структуру и свойства.

11.5. Детали паровых турбин, например лопатки, работают при повышенных температурах (400¸500 °С) и в условиях воздействия пара и влаги. Материал лопаток должен обладать устойчивостью против ползучести и коррозии. Выбрать материал для лопаток и указать его химический состав, режим термической обработки и микроструктуру в готовом изделии. Привести механические свойства при 20 °С и при 500 °С.

Вариант 12

12.1. Для изготовления шестерён диаметром 1200 мм при ширине обода
250 мм требуется мате­риал с механическими свойствами: σ_в ≥ 600 МПа,
σ_0,2 ≥ 350 МПа, δ ≥ 10 %, К_1с ≥ 25 МПа/м^1/2. Выбрать мате­риал, технологию его обработки, указать структуру, механические свойства.

12.2. Выбрать мате­риал для изготовления топоров. Лезвие топора не должно сминаться в работе (HRС = 50¸55 на высоте не более 40 мм). Остальная часть должна иметь более низкую твёрдость. Указать состав мате­риала, технологию его обработки, обеспечивающую указанную твёрдость и структуру.

12.3. Выбрать мате­риал для изготовления неответственных болтов на быстроходных станках-автоматах с максимальной производительностью резания и высокой чистотой поверхности. Указать состав мате­риала, технологию его обработки, структуру и свойства.

12.4. Детали гидросамолётов изготавливают из коррозионно-стойкого материала, имеющего σ_в ≥ 1200 МПа. Выбрать мате­риал и указать технологию его обработки, структуру и свойства.

12.5. Завод изготовляет сложное литьё с внутренними отверстиями (требуется δ ≥ 5 %). Предложить мате­риал и указать технологию его обработки, структуру и свойства.

Вариант 13

13.1. Выбрать мате­риал (σ_0,2 ≥ 550 МПа) для изготовления сварной конструкции грузонапряжённого автомобильного моста в северном исполнении и указать технологию его обработки, структуру и свойства.

13.2. Выбрать мате­риал для изготовления зубила. Указать состав мате­риала, технологию его обработки, обеспечивающую высокую стойкость, и структуру.

13.3. Выбрать мате­риал (σ_в ≥ 300 МПа) для изготовления литого блока цилиндров мотоцикла "Урал" с твёрдостью НВ 180¸245, технологию его обработки и указать структуру и свойства.

13.4. Резервуар для хранения жидкого гелия изготовляют с помощью сварки. Выбрать материал и указать технологию его обработки, структуру и свойства.

13.5. Выхлопные клапаны мощных дизельных двигателей нагреваются до 600°С. Выбрать мате­риал и указать технологию его обработки, структуру и свойства.

Вариант 14

14.1. Гидроцилиндры установки высокого давления должны иметь высокую прочность (σ_0,2  ≥ 1500 МПа). Предложить мате­риал, технологию его обработки и указать структуру и свойства.

14.2. Холодновысадочный штамп работает с большими динамическими нагрузками. Выбрать мате­риал и указать технологию его обработки, структуру и свойства.

14.3. Выбрать мате­риал для изготовления коррозионно-стойкой пружины и указать технологию его обработки, структуру и свойства.

14.4. Корпус редуктора сложной формы должен обладать демпфирующими свойствами (σ_в ≥ 250 МПа). Выбрать мате­риал и указать технологию его обработки, структуру и свойства.

14.5. Выбрать материал режущего инструмента для чистовой обработки твёрдых стальных изделий (НВ 320¸360). При резании кромки инструмента нагреваются до 700 ^оС. Указать технологию обработки инструмента, структуру и свойства.

Вариант 15

15.1. Выбрать материал для изготовления вала мощной паровой турбины электростанции диаметром 150 мм и указать технологию обработки вала, структуру и свойства.

15.2. Выбрать мате­риал для изготовления фрез, обрабатывающих углеродистые стали и серый чугун с умеренной скоростью, и указать технологию обработки фрез, структуру и свойства.

15.3. Выбрать мате­риал для изготовления подшипников качения насоса, работающего в коррозионно-активной среде, и указать технологию обработки подшипников, структуру и свойства.

15.4. Материал изложниц для заливки стальных слитков должен выдерживать многократные теплосмены и быть способным к релаксации напряжений. Указать состав материала, технологию обработки изложниц, структуру и свойства.

15.5. Выбрать материал для изготовления тихоходных зубчатых колёс сложной формы с антифрикционными свойствами и σ_в ≥ 600 МПа, относительным удлинением не менее 3 %. Выбрать материал и режим обработки колёс, описать структуру и свойства.

6.3. Примеры решения задач по выбору материалов и технологий
упрочняющей обработки для конкретных деталей машин

Задача 1. Выбрать материал для изготовления ответственного вала редуктора бортовой передачи танка со шлицами диамет­ром 50 мм с КП-700 (КП – категория прочности, определяемая по величине σ_0,2). Предложить рациональный режим термообработки. Охарактеризовать формирующуюся микроструктуру. Определить комплекс механических свойств.

Решение: Поскольку по условию задачи ответственный вал редуктора работает на изгиб, срез, скручивание, трение в сочетании со сложными знакопеременными нагрузками, вызывающими усталость металла, испытывает динамические нагрузки и должен иметь величину σ_0,2 в центре сечения не менее 700 МПа, целесообразно выбрать в качестве материала улучшаемую машиностроительную среднеуглеродистую сталь (с 0,4 %С). Выбор стали проведём по критерию сквозной прокаливаемости методом наименьшего, но достаточного легирования, исходя из диаметра вала (разд. 2.5).

Для изготовления ответственного вала диаметром 50 мм углеродистая
сталь 40 рассматриваться не может вследствие низкой прокаливаемости и появления структурно свободного феррита в центре изделия, результатом чего будет низкий уровень механических свойств. Следующий уровень легирования – сталь 40Х – также не может обеспечить выполнение условий задачи вследствие недостаточной прокаливаемости (D_крит. ~ 22 мм при образовании до 90 % мартенсита после закалки в масле). По методике  пошагового увеличения глубины прокаливаемости нужно рассмотреть стали третьего уровня легирования, например сравнительно дешёвую хромомарганцевую – 40ХГТР и более дорогие хромоникелевые – 40ХН и 40ХНМА. По критерию сквозной прокаливаемости первые две стали удовлетворяют условиям задачи на верхнем пределе возможности (прокаливаются в деталях диаметром до 55 мм), а сталь 40ХНМА – с запасом, однако верхняя температура порога хладноломкости стали 40ХГТР (t_в = 40 ⁰С) слишком высока, вследствие чего эту сталь нельзя рекомендовать для указанного применения. Сталь 40ХН имеет t_в = –40 ⁰С, то-есть по этому показателю её применение допустимо для данной детали. Стоимость сортового проката стали 40ХНМА примерно в 1,5 раза выше стали 40ХГТР (разд. 2.5.6), поэтому её использование в данном случае экономически нецелесообразно, несмотря на выигрыш в комплексе механических свойств в сравнении с двумя другими сталями.

Выбирая по марочнику технологию стандартной термической обработки стали 40ХН: закалка от 820 ⁰С в масло, отпуск 550 ⁰С (охлаждение в воде или масле вследствие склонности к отпускной хрупкости) –, убедимся, что механические свойства стали в сечении 50 мм после улучшения со структурой сорбита отпуска достаточны для выполнения условий задачи (σ_0,2 = 750 МПа и σ_в =
= 950 МПа, δ = 14 %, ψ = 50 %, КСU = 0,7 МДж/см², НВ = 320, σ_-1 = 490 МПа).

Таким образом, посредством рационального альтернативного выбора с учётом условий работы детали в качестве материала вала выбрана сталь 40ХН. После отпуска необходимо провести шлифовку поверхности, после чего закалить с самоотпуском шлицевую часть вала на глубину до 1 мм и твёрдостью не менее НRC 50 со структурой отпущенного мартенсита, используя установку ТВЧ.

Задача 2. Выбрать материал для изготовления свёрл диаметром 15 мм, обрабатывающих углеродистые стали и серый чугун с небольшой скоростью, и указать технологию термической обработки, структуру и свойства.

Решение: Поскольку при выборе стали для перетачиваемого режущего инструмента рекомендуется руководствоваться принципом обеспечения требуемой закаливаемости и прокаливаемости при необходимой теплостойкости (разд. 2.6.1–2.6.2), в данном случае можно использовать критерий сквозной прокаливаемости методом наименьшего, но достаточного легирования, исходя из диаметра сверла (15 мм). Углеродистые стали У9, У10 не подходят вследствие низкой прокаливаемости и теплостойкости, так как они могут успешно работать только в условиях, не вызывающих разогрева режущей кромки, который неизбежен в случае сверления металла. Поэтому с целью обеспечения износостойкости, прокаливаемости и теплостойкости, достигаемых соответствующим уровнем легирования мартенсита, нужно перейти к легированным инструментальным сталям повышенной прокаливаемости (ГОСТ 5950¸2000), которые пригодны для резания материа­лов невысокой прочности с небольшой скоростью (до 8 м/мин), например Х, 9Х1 или 9ХС. Их можно использовать для изготовления инструмента, не подвергаемого в работе нагреву свыше 200¸250 °С. Инструменты из этих сталей можно закаливать в масле и горячих средах (ступенчатая закалка), что уменьшает деформацию и коробление инструмента. Легирование кремнием усиливает стойкость мартенсита к распаду при нагреве, однако способствует обезуглероживанию режущей кромки при нагреве под закалку. Таким образом, с учётом этих факторов выбрали сталь 9ХС.

Предварительная термическая обработка заготовок из стали 9ХС состоит в изотермическом отжиге на зернистый перлит (нагрев при 790¸810 °С в течение 1¸2 ч, охлаждение с печью до 710 °С, изотермическая выдержка 3¸4 ч, охлаждение до 500 °С со скоростью 50 °С/ч, далее – на воздухе (твёрдость
НВ 197¸241). После изготовления свёрл они подвергаются окончательной термической обработке – закалке путём нагрева в соляной ванне (NaCl + KCl) c регламентированной выдержкой при 870 °С, охлаждение – в масле (с последующей промывкой) или ступенчатая закалка в расплавах солей при 160¸240 °С и низкий отпуск 180¸220 °С (на твёрдость 62¸63 HRC). Окончательная структура свёрл – отпущенный мартенсит и зернистые карбиды.

Задача 3. Выбрать мате­риал для изготовления станины станка сложной формы с преобладающей толщиной стенки 70 мм, испытывающей вибрационные нагрузки. Требуе­мое значение σ_в ≥ 200 МПа. Указать режим обработки станины, учиты­вающий необходимость минимизации остаточных напряжений и деформа­ций в процессе изготовления и эксплуатации станка.

Решение: Из условий задачи следует, что наиболее подходящим мате­риалом для станины будет серый чугун, который при требуемой прочности имеет высокие литейные свойства и обладает хорошими демпфирующими свойствами. Выбор рационального химического состава чугуна целесообразно провести с ис­пользованием углеродного эквивалента С_э. По данным табл. 3.3 и диаграмме Г.И. Сильмана (рис. 3.2) найдём для заданной толщины стенки станины (70 мм) рассчитанное значение С_э и соответствующий этому значению химический состав чугуна, учитывая, что данная станина может быть получена методом литья в земляную форму «по-сырому». При этом необхо­димо обеспечить в отливке прочностные свойства не ниже, чем у марки СЧ20.

Из диаграммы видно, что этим условиям отвечает значение углеродного эквивалента С_э < 3,5 %. По диаграмме и по табл. 3.3 находим, что в данном случае нужно использовать чугун марки СЧ30 (т.е. соответствующий марке СЧ30 в стандартных литых про­бах диаметром 30 мм). Для обеспечения стабильных струк­туры и свойств по всему сечению отливки выбираем химический состав модифицированного чугуна, %: 2,9¸3,1 % С, 1,6¸1,9 % Si, 1,1¸1,4 % Мn,
С_э = 3,25¸3,50.

С целью снижения литейных напряжений и стабилизации размеров необходимо провести отжиг отливки при температуре 600 ⁰С с выдержкой не менее
5 ч и охлаждением с печью. Структура отливки – пластинчатый графит в перлитной металлической основе.

Глава 7. ИСПОЛЬЗОВАНИЕ КОМПЬЮТЕРНЫХ ПРОГРАММ
ДЛЯ РЕШЕНИЯ ЗАДАЧ ПО ВЫБОРУ МАТЕРИАЛА И ТЕХНОЛОГИЙ

⇐ Предыдущая31323334353637383940Следующая ⇒

Поделиться: