Сталь для изготовления тяжело нагруженных коленчатых валов

Вариант 7
7.1 Выбрать сталь для изготовления тяжело нагруженных коленчатых валов диаметром d (40, 60, 80) мм, предел текучести, соответственно, должен быть не ниже σ0.2 (750, 900, 1100) МПа. Рекомендовать состав и марку стали, режим термической обработки, структуру и механические свойства после закалки и отпуска.
7.2 Назначьте режим термообработки штампов холодной штамповки или высадки из стали У10. Дайте его обоснование и опишите структуру и свойства штампа. Объясните, почему из данной стали изготавливают штампы небольшого сечения.
7.3 Выберите латунь, которая пригодна для изготовления тонкостенных труб. Расшифруйте состав и опишите структуру сплава. Назначьте режим отжига, применяемого между операциями волочения, обоснуйте выбранный режим. Дайте общую характеристику механических свойств сплава.
7.1 Выбрать сталь для изготовления тяжело нагруженных коленчатых валов диаметром d (40, 60, 80) мм, предел текучести, соответственно, должен быть не ниже σ0.2 (750, 900, 1100) МПа. Рекомендовать состав и марку стали, режим термической обработки, структуру и механические свойства после закалки и отпуска.
Деталь коленчатый вал двигателя работает в условиях значительных знакопеременных напряжений и ударных нагрузок и относится к группе деталей, материал которых должен иметь высокий предел выносливости, необходимую прокаливаемость, достаточную ударную вязкость, для некоторых поверхностей высокую износостойкость. Таким образом, коленчатый вал должен изготавливаться из улучшаемой стали.
Валы изготовляют из углеродистых и легированных конструкционных сталей, так как они обладают высокой прочностью, способностью к поверхностному и объемному упрочнению, легкостью получения прокаткой цилиндрических заготовок и хорошей обрабатываемостью резанием.
Выбор марки стали для валов различных диаметров проводим, исходя из сквозной прокаливаемости, обеспечиваемой выбранной маркой стали, а также требованиям к механическим свойствам.
Углеродистые стали применяют преимущественно для изготовления деталей небольшого сечения или для деталей без термообработки. Валы, к которым предъявляют повышенные требования к механическим свойствам, выполняют из среднеуглеродистых сталей, подвергаемых улучшению (закалке и высокому отпуску).
Ответственные валы с повышенными требованиями к механическим свойствам и прокаливаемости изготовляют из легированных сталей.
Рассмотрим стали марок 45, 40Х, 40ХН, 40ХН2МАс точки зрения обеспечения сквозной прокаливаемости (40, 60, 80 мм) и получения предела текучести σ0.2 (750, 900, 1100) МПа.
Прокаливаемость различных марок сталей представлена в табл. 1. В табл. 1 представлены механические свойства сталей после соответствующей термообработки.
Таблица 1 – Прокаливаемость сталей
Марка стали Прокаливаемость
45 10 – 15 (в воде)
40Х 16 – 40 (в масле)
40ХН 18 – 60 (в масле)
40ХН2МА 80 – 114 (в масле)
Для изготовления вала диаметром 40 мм подходит сталь 40Х, вала диаметров 60 мм – сталь 40ХН, вала диаметром 80 мм – сталь 40ХН2МА.
Сталь 40Х по химическому составу– низколегированная (содержит в среднем 1 % хрома), по содержанию углерода – среднеуглеродистая (0,4 % С), по качеству – качественная, по назначению – конструкционная машиностроительная, по структуре – доэвтектоидная.
Сталь 40ХН по химическому составу– низколегированная (содержит в среднем 1 % хрома и 1 % никеля), по содержанию углерода – среднеуглеродистая (0,4 % С), по качеству – качественная, по назначению – конструкционная машиностроительная, по структуре – доэвтектоидная.
Сталь 40ХН2МА по химическому составу– легированная (содержит в среднем 1 % хрома, 2 % никеля и 1 % молибдена), по содержанию углерода – среднеуглеродистая (0,4 % С), по качеству – высококачественная, по назначению – конструкционная машиностроительная, по структуре – доэвтектоидная.
Критические точки сталей:
- 40Х: Ас1=743 оС, Ас3=815 оС;
- 40ХН: Ас1=735 оС, Ас3=768 оС;
- 40ХН2МА: Ас1=730 оС, Ас3=820 оС.
Термическая обработка деталей состоит из предварительной и окончательной.
Предварительная термообработка
Для обеспечения обрабатываемости резанием прокат поставляется в отожженном состоянии. Для доэтектоидных сталей проводится полный отжиг. с нагревом на 30 – 50 оС выше критической температуры Ас3 (рис. 1):
Тн= Ас3 + (30-50 оС) (1)
Температура нагрева при полном отжиге:
- для стали 40Х – 845 – 865 °С, твердость после отжига НВ 217;
- для стали 40ХН – 798 – 818 °С, твердость НВ 207;
- для стали 40ХН2МА – 850 – 870 °С, твердость НВ 269.

Рисунок 1 – Участок диаграммы железо - цементит
Длительность выдержки определяется из расчета 1-1,5 мин на 1 мм сечения детали (для низколегированных сталей) и 2 мин на 1 мм сечения для легированных сталей и составит:
- для стали 40Х – 60 мин (1 ч);
- для стали 40ХН – 90 мин (1,5 ч);
- для стали 40ХН2МА – 160 мин (2 ч 40 мин).
Охлаждение при отжиге – медленное, с печью.
Структура после отжига – равновесная феррит и перлит.
Окончательная термообработка
Технологический процесс упрочнения состоит из улучшения (полной закалки и высокого отпуска).
К деталям типа валов предъявляют требования сочетания достаточной твердости, прочности и повышенной высокой ударной вязкости по всему сечению детали.
Требуемые механические свойства обеспечит закалка и высокий отпуск.
Температура нагрева при полной закалке назначается согласно (1) как и при полном отжиге и составит:
- для стали 40Х – 845 – 865 °С, твердость после закалки 58 – 60 НRC;
- для стали 40ХН – 798 – 818 °С, твердость после закалки 58 – 60 НRC;
- для стали 40ХН2МА – 850 – 870 °С, твердость после закалки 58 – 60 НRC.
Длительность выдержки при закалке определяется из расчета 1-1,5 мин на 1 мм сечения детали (для низколегированных сталей) и 2 мин на 1 мм сечения для легированных сталей и составит:
- для стали 40Х – 60 мин (1 ч);
- для стали 40ХН – 90 мин (1,5 ч);
- для стали 40ХН2МА – 160 мин (2 ч 40 мин).
Охлаждающая среда при закалке для легированных сталей – масло, т.к. легирующие элементы уменьшают критическую скорость закалки и увеличивают прокаливаемость.
Исходная структура сталей феррит и перлит (рис. 2, а) превратится при нагреве до температур закалки в аустенит, после охлаждения аустенит превратится в мартенсит закалки.

Рисунок 2 – Структура сталей 40Х, 40ХН и 40ХН2МА в исходном
состоянии (а) и после улучшения (б)
Закаленная сталь имеет высокую твердость, повышенную хрупкость, приобретает большие внутренние напряжения.
Для уменьшения больших внутренних напряжений, полученных после закалки, и получения высокой ударной вязкости проводят отпуск – вид термической обработки, который заключается в нагреве стали до температур ниже критической точки Ас1, выдержке при этих температурах и последующем охлаждении (обычно на воздухе).
После закалки коленчатых валов проводят высокий отпуск. Температура нагрева при отпуске выбирается для обеспечения требуемой прочности 0,2= 750, 900 и 1100 МПа и составит:
- для стали 40Х – 540-560 °С;
- для стали 40ХН – 540-560 °С;
- для стали 40ХН2МА – 500-520 °С.
Учитывая повышенную температуру отпуска, время операции составит 10 мин + 1,5-2 мин на 1 мм сечения детали:
- для стали 40Х – 70 мин (1 ч 10 мин);
- для стали 40ХН – 100 мин (1 ч 40 мин);
- для стали 40ХН2МА – 170 мин (2 ч 50 мин).
Охлаждение после отпуска, как правило, проводят на воздухе. Т. к. стали 40Х и 40ХН склонны к отпускной хрупкости, охлаждение после высокого отпуска для этих сталей необходимо проводить ускоренно в воде или масле.
При нагреве и выдержке при температуре высокого отпуска будет происходить распад мартенсита с образованием по всему сечению деталей зернистой феррито-цементитной структуры, называемой сорбитом отпуска (рис. 2, б).
После назначенного режима термообработки выбранные марки сталей будут обладать следующими механическими свойствами:
- сталь 40Х – В = 960–1000 МПа, 0.2 = 750-810 МПа, δ = 12–13 %, ψ = 54–57 %, KCU=100–110 Дж/см2, твердость по Бринеллю HB 280–300;
- сталь 40ХН – В = 1000–1050 МПа, 0.2 = 900–980 МПа, δ = 16–18 %, ψ = 55–58 %, KCU=60–65 Дж/см2, HB 270–290;
- сталь 40ХН2МА – В = 1150–1170 МПа, 0.2 = 1100–1150 МПа, δ = 15–16 %, ψ = 59–60 %, KCU=88–90 Дж/см2, HB 300–320.
График закалки и высокого отпуска представлен на рис. 3.


Рисунок 3 – График закалки и высокого отпуска
7.2 Назначьте режим термообработки штампов холодной штамповки или высадки из стали У10. Дайте его обоснование и опишите структуру и свойства штампа. Объясните, почему из данной стали изготавливают штампы небольшого сечения.
Для штампов холодной штамповки применяют стали марок: У10, У11, У12 (штампы простой формы, диаметром 25–30 мм, работающие в легких условиях. Изготовление штампов небольшого сечения из стали У10 связано с небольшой прокаливаемостью углеродистых сталей.
Инструмент штампов для холодной обработки должен иметь высокую поверхностную твердость (58–60 HRC) при достаточной вязкости сердцевины, износостойкость, большое сопротивление изгибу, сжатию, высокую теплопроводность, ударную прочность и т.д.
Штамповую углеродистую сталь У10 для холодного деформирования упрочняют при термообработке непосредственно в результате мартенситного превращения (закалка на первичную твердость с последующим низким отпуском).
Сталь У10 – углеродистая (1 % углерода), качественная, по назначению – инструментальная, по структуре – заэвтектоидная сталь (структура в равновесном состоянии состоит из перлита и цементита вторичного).
Для заэвтектоидных сталей проводят неполную закалку.
Температуры нагрева при неполной закалке назначаются на 30-50 ℃ выше критической температуры Ac1 или линии PSK на диаграмме железо – цементит и составит (рис. 4):
Тн = Ас1 + (30_50 оС) (2)
Тн = 730 + (30–50 оС) = 760 - 780 оС.

1 – при неполной закалке; 2 – при низком отпуске
Рисунок 4 – Участок диаграммы железо – цементит и температуры
нагрева при термообработке стали У10
Штампы из углеродистой инструментальной стали при закалке в воде сильно деформируются, и часто в них образуются трещины. Поэтому при закалке штампов, изготовленных из углеродистых сталей, применяют способы охлаждения, уменьшающие коробление и возможность появления трещин. Обычным способом является охлаждение в воде с выдержкой до того момента, когда температура нагретого штампа не понизится до 180—150° С, после чего его переносят в масло.
При нагреве под закалку выше критической температуры Ас1 будет происходить образование структуры, состоящей из аустенита и цементита вторичного, дальнейшее охлаждение со скоростью выше критической приводит к образованию структуры мартенсита, цементита вторичного и некоторого количества остаточного аустенита.
Время выдержки инструментов при закалке определяется из расчета 1 мин на 1 мм сечения.
После закалки проводят отпуск.
Отпуск заключается в нагреве закаленной стали до температуры ниже Ас1, выдержке при заданной температуре и последующем охлаждении на воздухе.
После неполной закалки с целью снятия внутренних закалочных напряжений и сохранения высокой твердости инструмент из стали У10 целесообразно подвергнуть низкотемпературному отпуску в интервале температур 200 - 250 ºC (рис. 4) в течение 0,5-1 ч.
В результате низкого отпуска происходит частичное выделение углерода из мартенсита, инструмент приобретает структуру мартенсита отпуска. Как правило, охлаждение при отпуске осуществляют на спокойном воздухе.
Твёрдость инструмента из высокоуглеродистой стали У10 составит 58-60 HRC, структура – мартенсит отпуска (рис. 5).

Рисунок 5 – Структура мартенсита отпуска
7.3 Выберите латунь, которая пригодна для изготовления тонкостенных труб. Расшифруйте состав и опишите структуру сплава. Назначьте режим отжига, применяемого между операциями волочения, обоснуйте выбранный режим. Дайте общую характеристику механических свойств сплава.
Для изготовления деталей тонкостенных труб применяют латунь Л68.
Латунь - сплав меди с цинком (от 5 до 45 %). Выберем для изготовления деталей путем глубокой вытяжки латунь марки Л68.
Латунь Л68 содержит 68 % меди, остальной – цинк (32 %). Это простая (двухкомпонентная) латунь.
Цинк более дешевый материал по сравнению с медью, поэтому его введение в сплав одновременно с повышением механических, технологических и антифрикационных свойств, приводит к снижению стоимости - латунь дешевле меди. Электропроводность и теплопроводность латуни ниже, чем меди.
Латунь марки Л68 относится к латуням, обрабатываемым давлением.
Использование в промышленности: проволочные сетки, радиаторные ленты, трубы для теплообменников; детали, получаемые глубокой вытяжкой.
Свойства сплава Л68:
Твердость материала: HB 10 -1 = 145 - 155 Мпа.
Температура плавления, °C: 938.
Температура горячей обработки: 700 - 850 °C.
Температура отжига: 550 - 650 °C.
Согласно диаграмме состояния медь – цинк (рис. 6, а) структура латуни Л68, содержащей 32 % цинка, представляет собой α-твердый раствор цинка в меди. α -фаза – твердый раствор замещения цинка в меди, имеет ГЦК решетку, высокую пластичность, низкие значения прочности и твердости.
Микроструктура однофазной латуни приведена на рисунке 7.
Однофазные латуни хорошо обрабатываются давлением в горячем и холодном состояниях.
Двойные латуни применяют чаще как деформируемые (а не литейные) сплавы для изготовления труб, фольги, листов, лент и изделий из них.

Рисунок 6 – Диаграмма состояния медь – цинк (а) и механические свойства сплавов (б)

Рисунок 7 – Микроструктура однофазной латуни
Термическая обработка латуни заключается только в рекристаллизационном отжиге. При обработке давлением деталей, изготовленных из латуни, необходимо повысить ее пластичность, т.к. обработка давлением приводит к наклепу, т.е. упрочнению сплава.
Чтобы уменьшить хрупкость сплава, а также для снятия внутренних напряжений его необходимо подвергнуть отжигу до температуры 600 оС, а затем – деформации вытяжкой. Эта процедура уменьшит склонность к коррозионному растрескиванию. Быстрое охлаждение после отжига позволит избежать повышенной хрупкости. Для получения мелкого зерна перед глубокой вытяжкой полосы и ленты отжигают при более низкой температуре (450-550°С).
Таким образом, для изготовления деталей из латуни Л68 рекомендуется следующая последовательность действий: отжиг до 600оС, растяжение заготовки до нужной длины и толщины и быстрое охлаждение. При глубоких вытяжках, чтобы избежать образования трещин, латунь приходится отжигать несколько раз.
Механические свойства сплава представлены в таблице 2.
Таблица 2 – Механические свойства латуни Л68
Прокат σв(МПа) δ5 (%)
сплав твердый 660-740 3-5
сплав мягкий 300-350 50-60
Сплав отличается благоприятным сочетанием прочностных свойств при высокой коррозионной стойкости. Относительное удлинение при разрыве определяется содержанием цинка и уменьшается с увеличением степени холодной деформации. Сплав имеет высокую стойкость против коррозионного растрескивания в присутствии аммиака. Сплав характеризуется отличной деформируемостью в холодном состоянии при комнатной температуре.
Список использованных источников
Лахтин, Ю.М. Материаловедение / Ю.М. Лахтин, В.П. Леонтьева. – М.: Машиностроение, 1990. – 528 с.
Марочник сталей и сплавов / В. Г. Сорокин, А. В. Волосникова, С. А. Вяткин и др.; под общ. ред. В. Г. Сорокина. — М.: Машиностроение, 1989. – 640 с.
Марочник сталей и сплавов. 2-е изд., доп. и испр. / А. С. Зубченко, Н.М. Колосков, Ю.В. Каширский и др. Под общей ред. А. С. Зубченко - М.: Машиностроение, 2003, – 784 с.
Журавлев, В.Н. Машиностроительные стали: справочник / В.Н. Журавлев, О.И. Николаева. – М.: Машиностроение, 1981. – 391 с.
Лахтин, Ю.М. Металловедение и термическая обработка металлов: учебник для вузов / Ю.М. Лахтин. – 4-е изд. – М.: Металлургия, 1993. – 448 с.
Материаловедение: учеб. пособие / под общ. ред. Л.Г. Петровой, Г.В. Гладовой, О.В. Чудиной. – М.: МАДИ (ГТУ), 2008. – 288 с.
Арзамасов, Б. Н. Материаловедение / Б. Н. Арзамасов [и др.]. – М.: МГТУ им. Н.Э.Баумана, 2002. – 646 с.
Геллер, Ю.А. Инструментальные стали / Ю.А. Геллер. – М.: Металлургия, 1968. – 568 с.
Геллер, Ю.А., Рахштадт, А.Г. Материаловедение / Ю.А. Геллер, А.Г. Рахштадт. – М.: Металлургия, 1975. – 448 с.
Гуляев, А.П. Металловедение: учебник для вузов / А.П. Гуляев. – М.: Металлургия, 1986. – 542 с.