Цементуемые стали

 

Химический состав и механические свойства цементуемых конструкционных сталей определяются по ГОСТ 4543-71.

Как известно, к цементуемым сталям относятся малоуглеродистые стали с содержанием углерода до 0,25 %. Эти стали используются для изготовления деталей, которые в процессе работы подвергаются изнашиванию и от которых требуются высокие механические свойства (сопротивление статическим, динамическим нагрузкам или усталости). Для повышения прочностных свойств имеется тенденция к повышению содержания углерода в цементуемых сталях до 0,25... 0,3 %. Для достижения требуемых свойств детали из
этих сталей могут подвергаться также цианированию или нитроцементации.

Цементуемые стали в зависимости от степени упрочняемости
сердцевины детали принято подразделять на три группы:

углеродистые стали с неупрочняемой сердцевиной;

низколегированные стали со слабоупрочняемой сердцевиной;

высоколегированные стали с сильноупрочняемой сердцевиной.

К третьей группе относятся также сравнительно малолегированные стали с повышенным содержанием углерода 0,25...0,3%. В табл. 3 приведены наиболее широко используемые марки цементуемых сталей, режимы их термообработки по ГОСТ, механические свойства в зависимости от сечения детали, значения прокаливаемости D₅₀, а также индекс стоимости, показывающий во сколько разданная марка стали дороже стали СтЗ.

Принятые условные обозначения следующие: Ц - цементация;
Н.Ц - нитроцементация; Ц.Н - цианирование; З - закалка; О - отпуск; З.в - закалка в воде; З.м - закалка в масле; З.1 - закалка I;
З.11 - закалка II, если проводится двойная закалка; норм. - нормализация; D₅₀, D₉₀, D_99,9 - критический диаметр с полумартенситной структурой и из 95 % и 99,9 % мартенсита в середине образца соответственно. Если после температуры отпуска стоит буква «в» или «м», то это значит, что охлаждение после отпуска должно быть в воде (в) или в масле (м).

Следует отметить, что как в табл. 3 для цементуемых сталей, так
и в табл. 4 для улучшаемых сталей приведены режимы термообработки по ГОСТ для контрольных образцов при приемке стали. Такая
термообработка обеспечивает получение гарантируемых свойств
образцов.

Реальные детали могут обрабатываться по совершенно другим
режимам. Так, детали из малоуглеродистых сталей 2OX, 18ХГТ,
I2XH3A и др. подвергаются цементации, закалке и низкому отпуску, а для образцов при приемке этих сталей по ГОСТ рекомендуется
применять только закалку и отпуск. Для деталей фактически не
применяется и двойная закалка и др.

Для более полной характеристики сталей в справочниках приводятся и дополнительные важные данные - графики изменения механических свойств в зависимости от t_отп, (рис. 12, а, б).

 

Задача 9. Какой материалследует выбрать для изготовления
шестерен коробки передач, если толщина зуба равна 6 мм? Изгибающее усилие в ножке зуба может доходить до 50 кГ/мм². Твердость в поверхностном слое глубиной 1,5мм должна быть не ниже 60 HRC. Какой должен быть режим термообработки детали?

 

Ответ: 1) сталь 15Х, наследственно мелкозернистая; Ц + З.м +
+ О при 200 ⁰C; 2) сталь 20ХГР; Ц + З.І.м + З.ІІ.м + О при 200⁰C;
3) сталь 14ХГ2СР; Ц+ норм. + З.м + О при 180 ⁰C.

 

Задача № 10. Какую сталь следует выбрать для изготовления
поршневого пальца двигателя внутреннего сгорания диаметром 35 мм, если материал в детали должен иметь σ_т ≥ 60 кГ/мм², ψ ≥; 40 %, α_н≥10 кГ • м/см², твердость 60 HRC?

 

Ответ: 1) сталь 12ХНЗА, Ц + З.м + О при200⁰C;

2) сталь 20ХГНР, Ц + З.в + О при 200⁰C;

3) сталь 14ХГ2СР, Ц + норм. + З.в + О при 180 ⁰C.

 

Цементуемые стали наиболее широко используют для изготовления шестерен, так как высокая твердость в поверхностном слое
повышает усталостную прочность зубьев и уменьшает осповидный
износ (питтинг).

Сущность осповидного износа заключается в образовании в поверхностном слое усталостных микротрещин от циклического действия нагрузки при работе. Постепенно от поверхности зуба отделяются небольшие чешуйки металла и образуются оспины (язвы). Чем выше твердость поверхностного слоя и предел текучести сердцевины зуба, тем выше контактная выносливость и общая усталостная прочность зубьев шестерни.

В условиях массового производства нитроцементация малоуглеродистых сталей и карбонитрирование высоколегированных сталей имеют преимущества перед простой цементацией. Применение нитроцементации углеродистых сталей обеспечивает лучшую прокаливаемость поверхностного слоя, что позволяет получить высокую твердость и износостойкость деталей при закалке в масле, в то время как цементованный слой при закалке в масле имеет пониженную
твердость переходных структур.

Новой сталью для карбонитрирования является сталь 25ХГМТ.
Эта сталь близка по прокаливаемости к стали 12Х2Н4А и рекомендуется в качестве заменителя хромоникелевой цементуемой стали.
Сталь 25ХГМТ обладает хорошими технологическими свойствами.
Она используется для изготовления шестерен в автотракторной промышленности, упрочняемых карбонитрированием или закалкой.

Карбонитрирование сталей типа 12Х2Н4А, 20Х2Н4А приводит к
резкому увеличению (до 60...70 %) остаточного аустенита, снижающему контактную и усталостную прочность деталей. По данным
ЗИЛа предельно допустимое содержание Ni в карбонитрированных
сталях составляет 1,2 % (сталь 20ХГНТР).

Для повышения усталостной прочности карбонитрированных деталей в ряде случаев применяется дробеструйный наклеп поверхностного слоя. Считается, что прочность деталей при этом повышается как за счет образования сжимающих напряжений, так и за счет структурных изменений в поверхностном слое, которые проявляются в уменьшении количества остаточного аустенита.

Как отмечалось выше, устранение остаточного аустенита в легированных сталях можно достичь нагревом их перед закалкой до
температуры - 650 ⁰C

В целях повышения производительности в ряде случаев можно
заменитьцементацию поверхностной закалкой ТВЧ с низким отпуском (180 ⁰C) сталей типа 55ПП (в стали содержится 0,55% С, буквы «ПП» означают пониженную прокаливаемость). При этом получают твердость 61... 61,5 HRC на глубине 1...2 мм.

 

 

 

 

 

Рис. 12. Зависимость свойств сталей от температуры отпуска:

а - сталь 18ХГТ; б - сталь ЗОХГ