Практическая работа №1  (2)  Выбор марок сталей на основе анализа их свойств для изготовления деталей машин

1. Наименование темы - Тема 1.2. Сплавы железа с углеродом.

2. Объем учебного времени, отведенный на практическую работу- 2 часа.

3.Наименование темы практической работы – Подбор марок сталей для деталей машин.

4. Цель  практической работы – Подобрать марки сталей для деталей машин.

 В процессе выполнения практической работы обучающийся должен уметь:

- подбирать марки стали для деталей машин.

5. Перечень необходимых средств обучения – Метод.ук.к вып.ПР, перс.компьютер, телевизор, плакаты, приложения, чертёжные принадлежности.

6. Требования по теоретической готовности обучающихся к выполнению практической работы.

Для выполнения практической работы обучающийся должен изучить следующие вопросы:

стали, классификация сталей, марки сталей.

7. Содержание задания

Задание 1

Подобрать марки сталей для деталей машин.

        Таблица 1

        Рекомендации по выбору марки 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.

        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 СтЗ; Ст4; Ст5; 35; 40; 45. Их не подвергают термической обработке.

        Валы небольших размеров, которые должны обладать повышенной прочностью на изгиб и кручение и усталостной прочностью, изготовляют из сталей 40Х (с диаметром до 20—25 мм), 50Х (d = 35...40 мм), 40ХГР (d = 50...55 мм). Их подвергают закалке и отпуску, чаще всего низкотемпературному при 180—220 °C до 45—50 HRC, реже среднетемпературному при 410—430 °C до 35—42 HRC (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 до 217—285 НВ (о = 800... 1000 МПа).

        Высоконагруженные валы большого диаметра (свыше 100 мм) изготавливают из сталей 50ХН, 40ХНМА, 34XH3MA, 38ХНЗМФА и подвергают улучшению на ств > 1000 МПа. Для валов в турбо- и компрессоростроении, которые должны обладать высокой прочностью в больших сечениях, применяют стали 30ХН2ВФА, 36ХН1МФА, 38ХНЗМФА, 30Х2НВФА, 34ХН1М, 34XH3M, 34ХН1МА, 34XH3MA, 35ХМ, 35ХМА, 38ХМ, подвергаемые улучшению.

        Гладкие, ступенчатые и шлицевые валы, работоспособность которых определяется контактной выносливостью и износостойкостью, должны иметь поверхностную твердость 48—50 HRC и более. Такие валы изготавливают из сталей 45 и 50, упрочняя их поверхностной закалкой при индукционном нагреве (с толщиной упрочненного слоя 1,3—2 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 другие, обеспечивающие повышенную прокаливаемость.

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

        В автомобилестроении для изготовления ведущего и ведомого валов коробки передач применяют стали 25ХГМ и 25ХГТ (упрочняемые нитроцементацией до 56—65 HRC), 15ХГНТ и 15ХГН2ТА (упрочняемые цементацией до 58—64 HRC).

Для изготовления цементируемых валов большого диаметра (около 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 червячных шлицевых валов, валов редукторов используют также стали ЗЗХС, 38ХС, 40ХС после улучшения до твердости не менее 255 НВ; 25ХГСА—35ХГСА после улучшения до 235—269 НВ; 40Г, 40Г2, 50Г2 после улучшения до 250—300 НВ.

        Для торсионных валов применяют стали ЗЗХС, 38ХС, 40ХС после улучшения до твердости более 255 НВ и сложнолегированные стали 36Х2Н2МФА, 45ХН2МФА, подвергаемые улучшению до 262—311 НВ.

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

        Валы и оси особо ответственного назначения изготавливают из сложнолегированных улучшаемых сталей 35ХН1М2ФА (248-293 НВ), 38XH3MA, 38ХНЗМФА (293-331 НВ).

        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 12ХНЗА, подвергаемых цементации.

        Коленчатые валы воспринимают высокие нагрузки от сил инерции поступательного и 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 изготавливают из сталей 40, 45, 40Х, 40Г. Для коленчатых валов быстроходных двигателей применяют улучшаемые стали 40Х, 40ХН, 40ХФА, 45Х. 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.

Высоко нагруженные коленчатые валы изготавливают из улучшаемых сталей 40ХНМА и 18Х2Н4ВА, подвергаемых иногда азотированию.         

        Коленчатые валы дизельных двигателей изготавливают из сталей 18Х2Н4ВА, 18Х2Н4МА, 14Х2НЗМА, подвергаемых улучшению и азотированию (600—700 HV) или закалке и отпуску при температуре 200 °C.

        Зубчатые колеса наиболее часто выходят из строя в связи 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 цементируемые стали 20ХГНМ, 18ХГТ, ЗОХГТ, 12ХНЗА, 18Х2Н4ВА, 20ХНМ, 25Х2ГНТА (твердость после термообработки 56—64 HRC) и нитроцементируемые стали 40Х (твердость 48—53 HRC), 25ХГТ, 25ХГМ (твердость 52-62 HRC).

        Для средненагруженных колес применяют также стали 45, 50, 40Х, 50Х, упрочняя колеса по контуру зубьев (в т.ч. и во впадинах) закалкой ТВЧ или объемной закалкой с последующим отпуском при температуре 180—220 °C до твердости 48—54 HRC.         

        Для средне- и малонагруженных колес применяют улучшаемые стали 40, 45, 50 Г, 40Х, ЗОХГС (при единичном и мелкосерийном производстве).

        Ведущие и ведомые цилиндрические и конические шестерни редукторов и главной передачи грузовых автомобилей средней грузоподъемности изготовляют из экономнолегированных 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 зубчатыми 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 до поверхностной твердости не ниже 59 HRC. Твердость на поверхности зуба не должна превышать 63 HRC, а в сердцевине 30—42 HRC. Излишне высокая твердость сердцевины снижает предел выносливости зубьев и увеличивает опасность их хрупкого разрушения.

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

        В тракторном и сельскохозяйственном машиностроении применяют различные материалы в зависимости от степени нагружения деталей. Мало- и средненагруженные зубчатые колеса (шестерни коробки передач, ведомые шестерни главной передачи для тракторов) изготавливают 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 составляет 56—65 HRC, в сердцевине зубьев 25—40 HRC.

        Если зубчатые колеса должны обладать повышенной износостойкостью, то их изготавливают из улучшаемых сталей 40, 45, 40Х, 40ХС, а поверхность упрочняют закалкой ТВЧ на твердость не менее 54 HRC. Толщина упрочненного слоя находится в пределах 1,5—2,5 мм. Тяжело нагруженные зубчатые колеса (например, шестерни тракторов) изготавливают из цементируемых или нитроцементируемых сталей 20ХГНР, 20ХНР, 20ХНЗА. Толщина и твердость поверхностного слоя такие же, как у предыдущей группы сталей с такой же обработкой, а твердость сердцевины несколько выше (30-45 HRC).

        Трубчатые детали (втулки, гильзы и т.д.) должны обладать высокой износостойкостью, стабильностью формы и размеров. Их изготавливают из азотируемых сталей 40ХФА, 30XH3BA, 38Х2МЮА или цементируемых сталей 20Х (толщина стенки 14—18 мм), 18ХГТ (40—45 мм), 12ХНЗА (70-75 мм).

        Нормали (болты, винты, гайки, шпильки и т.д.) изготовляют из нормализуемых сталей 40, 40Х, 30ХГС с твердостью 25—30 HRC (малонагруженные детали), улучшаемых сталей 40, 40Х, 30ХГС с твердостью 30—35 HRC (средненагруженные детали) и улучшаемых или нормализуемых сталей 40ХН, 40ХНМА с твердостью 30—35 HRC (высоко- и сложнонагруженные детали).

8. Контрольные вопросы

Какие марки сталей можно рекомендовать для валов и осей особо ответственного назначения?

Какие марки сталей можно рекомендовать для осей и полуосей, коленчатых валов?      

Какие марки сталей можно рекомендовать для малонагруженных, медленно вращающихся валов?

Какие марки сталей можно рекомендовать для среднезагруженных валов диаметром до 100 мм, работающих в основном на изгиб и кручение?

Какие марки сталей можно рекомендовать для коленчатых валов тихоходных судов и автотракторных двигателей?

Какие марки сталей можно рекомендовать для нормалей (болты, винты, гайки, шпильки и т.д.) 

Какие марки сталей можно рекомендовать для трубчатых деталей (втулок, гильз и т.д.) обладающих высокой износостойкостью, стабильностью формы и размеров?