2.4. Найважливіші машинобудівні матеріали та їхня термічна та хімічно-термічна обробка

Найбільш поширеними матеріалами в машинобудуванні є сталь різних марок, чавун, бронза. Класифікація сталі за призначенням і хімічному складу може бути схематично зведена до Таблиці 2.4.

Конструкційна вуглецева сталь йде на виготовлення різних машинних частин і маркується Ст0, Ст1, Ст2,…, Ст6, Ст7 (звичайної якості) і сталь 10, 15, 20, …., 70 (якісна). До групи якісної сталі відносять також сталь з підвищеним вмістом марганцю, яка маркується 15Г, 30Г, тощо, або 30Г2, 35Г2.

Інструментальна вуглецева сталь йде на виготовлення різців, фрез, калібрів, штампів тощо; ця сталь має значну твердість та зносостійкість. Вона маркується, наприклад, У9, що означає вуглецева сталь із вмістом вуглецю 0,9%.

Таблица 2.4.

Сталь	Вуглецева	Конструкційна	Звичайної якості
			Якісна
		Інструментальна	Високовуглецева
	Легована	Конструкційна	Що цементується
			Що поліпшується
			Що азотується
		Конструкційна	Швидкоріжуча
		Сталь з особливими фізичними та хімічними властивостями	Нержавіюча
			Жаростійка
			Немагнітна та ін.

У тих випадках, коли властивості вуглецевої сталі не забезпечують потрібної якості деталей машин та інструментів, що виготовляються, (достатньої міцності, зносостійкості, жароміцності тощо), переходять до застосування легованої сталі. Введення легованих елементів поліпшує механічні властивості сталі, змінює фізико-хімічні властивості та збільшує глибину прогартовування.

Легуючі елементи в марках сталі за ГОСТ позначаються: Н – нікель, Х – хром, Г – марганець, С – кремній, В – вольфрам, Ф – ванадій, Ю – алюміній, М – молібден, К – кобальт, Т – титан, Б – ніобій, Е – селен, Ц – цирконій, П – фосфор, А – азот, Р – бор, Л – берилій, Ш – магній (останні чотири позначення – тільки за умов знаходження букви в середині маркування). Маркування легованої сталі дається у вигляді комбінації букв і цифр: перші дві цифри позначають вміст вуглецю в сотих частках процента (якщо цифра відсутня, тоді вміст вуглецю біля 1% або більше, якщо цифра одна, то це вміст вуглецю в десятих частках процента), далі буквою вказується легований елемент і його приблизний вміст в процентах. Буква А ставиться для позначення високої якості сталі (зі зниженим вмістом шкідливих домішок – сірки та фосфору). Якщо вміст легуючого елементу складає приблизно 1%, то після відповідної букви в марці сталі ніяких цифр не ставиться. Позначення ПП «знижене прогартовування» (рос. «пониженная прокаливаемость»), для сталей з подальшою обробкою токами високої частоти (ТВЧ).

Конструкційні сталі є найбільш поширеними та масовими сталями з усіх легованих. Вони зазвичай відрізняються порівняно низьким вмістом легуючих компонентів і невисокою собівартістю. Інструментальним сталям характерно поєднання високої зносостійкості та твердості. Для них важливе прогартовування і достатня ударна в’язкість за найвищої твердості.

З підвищенням несучої здатності, яка лімітується стійкістю активних поверхонь зуб’їв та їхньою міцністю на згинання, знижується маса і габаритні розміри зубчастої передачі. Найменшу масу мають передачі зі сталевими зубчастими колесами. Одною з найважливіших умов удосконалення машин є пошук всіх можливих шляхів до зниження масогабаритних показників, тому сталь є основним матеріалом для зубчастих коліс і єдиним можливим для високонавантажених передач.

Механічні властивості сталі можна поліпшити, застосовуючи термообробку: відпал, нормалізацію, гарт і відпуск.

Відпал зменшує структурну неоднорідність сталі (обумовлює отримання рівноважної структури), підвищує пластичність і в’язкість, знижує твердість і поліпшує здатність до обробки різанням.

Нормалізація, яка вирівнює структурну неоднорідність сталі, знижує твердість і поліпшує здатність до обробки різанням. Нормалізація – це, за суттю, процес відпалу. Стальний виріб нагрівають до температури дещо нижче температури гарту, витримують сталь за цієї температури, а потім охолоджують на повітрі. В результаті сталь стає більш дрібнозернистою, ніж при відпалі, підвищується її твердість, міцність, ударна в’язкість порівняно з відпаленою сталлю.

Гарт – термічна обробка сталі шляхом її нагрівання до певної температури, деякої витримки за цієї температури до завершення фазових перетворень зі швидким подальшим охолодженням у воді, оливі та інших рідинах. При гарті збільшується твердість і міцність, але знижується ударна в’язкість. Загартована сталь має більшу крихкість, що робить її малоздатною для практичного використання. Гарт забезпечує отримання потрібних фізико-механічних властивостей.

Поверхневий гарт ТВЧ з подальшим низьким відпуском застосовується для сталей із вмістом вуглецю біля 0,35…0,60% (наприклад, для сталей марок 40Х, 40ХН, 45ХН, 35ХМ, 60ХВ, 60Х, 55ПП та інших). При поверхневому гарті нагріванню підлягають тільки зовнішні шари металу, при цьому не виникає значних деформацій (жолоблення) зубчастих коліс. Товщина загартованого шару при поверхневому гарті назначається зазвичай в межах 0,25…0,40 , а твердість після гарту з низьким відпуском при охолодженні водою або оливою сягає значень 48-62 . Твердим поверхневим шарам за такої термообробки відповідає в’язка серцевина зуб’їв, що забезпечує високу витривалість при згинанні зубчастих коліс.

Об’ємний гарт з низьким відпуском використовують для зубчастих коліс із сталей із вмістом вуглецю 0,40…0,55% (наприклад, сталі марок 40Х, 40ХН, 40ХФА та інші). За цієї термообробки неминучі значні викривляння форми зуб’їв, які долаються шліфуванням. Зуб’я мають низький опір ударному навантаженню та великий розкид в значеннях границі витривалості. Тому об’ємний гарт з низьким відпуском застосовують для мало відповідальних передач.

Відпуск застосовують для сталі після гарту для зменшення крихкості та послаблення внутрішніх напружень. Відпуск сталі полягає в нагріванні її нижче температури гарту з подальшим поступовим охолодженням на повітрі. Залежно від виду відпуску виріб нагрівають від 150 до 550°С. З підвищенням температури відпуску суттєво змінюються механічні властивості загартованої сталі: границя міцності і твердість знижуються, а відносне подовження та в’язкість збільшуються.

Термообробка, яка полягає у гарті з подальшим високотемпературним відпуском, зазвичай називається поліпшенням. Дана термообробка застосовується в основному в одиничному та дрібносерійному виробництві для передач, до габаритних розмірів і масі яких не висувають високі вимоги, а також в тих випадках, коли контактна міцність не впливає на розміри приводу, що проектується. За цієї термообробки зубчасті колеса виготовляються з якісних вуглецевих і легованих сталей із вмістом вуглецю 0,35…0,50% (наприклад, сталі марок 40Х, 40ХН, 35ХМ, 35 ХГСА та інші).

Істотне значення для поліпшення якостей сталі має хіміко-термічна обробка сталі, яка полягає в зміні хімічного складу поверхневого шару сталевого виробу шляхом насичення його будь-якою іншою речовиною (вуглецем, азотом, ціаном, хромом) з метою підвищення твердості, зносостійкості або корозійної стійкості поверхні та збереження при цьому високих механічних якостей самого виробу. Видами хіміко-термічної обробки сталі є цементація, азотування, ціанування та хромування.

Цементація – це процес хіміко-термічної обробки сталевих деталей, що зумовлює насичення їхньої поверхні вуглецем на певну глибину виробу за температури середовища 880...950°С, яка містить вуглець. Призначенням процесу є отримання після гарту та низького відпуску підвищеної твердості до 56…62 і міцності поверхневого шару, зносостійкості та міцності деталей від втомленості. При цьому застосовують леговані сталі із вмістом вуглецю 0,12…0,30%.

Нітроцементація (газове ціанування) – процес хіміко-термічної обробки сталевих деталей, який зумовлює одночасне насичення поверхневих шарів вуглецем і азотом з подальшим гартом і низьким відпуском до твердості 57…63 . Нітроцементації підлягають зубчасті колеса з середньовуглецевих сталей (наприклад, сталей 20Х, 35Х, 40Х, 25ХГМ, 25ХГТ, 30ХГТ та ін.).

Азотування – процес хіміко-термічної обробки сталевих деталей, який зумовлює насичення азотом поверхневого шару сталевого виробу при нагріванні до 500...700°С в атмосфері аміаку на певну глибину з метою підвищення зносостійкості, корозійної стійкості, границі витривалості. Забезпечує особливо високу твердість до 70 та зносостійкість поверхневих шарів. При цьому утруднюється прироблення, яка зменшує шкідливі наслідки від місцевих навантажень, які викликані похибками та деформаціями. Тому реалізація переваги азотування можлива тільки за високої точності виготовлення або при використанні доводочних операцій в зубчастій парі (за мінімальної нерівномірності питомих навантажень за шириною зубчастого вінця, викликаних деформаціями).

Хромування – процес хіміко-термічної обробки, який зумовлює насичення поверхневого шару хромом з метою підвищення поверхневої твердості деталей, зносостійкості та антикорозійних властивостей сталевих деталей.

Алітування – процес, який зумовлює насичення поверхневого шару сталі алюмінієм з метою підвищення жаротривкості сталевих деталей.