Цементуемые стали

Для уп­рочнения поверхности стальных деталей используют химико-термическую обработку (цементацию, нитроцементацию, азотиро­вание), а также поверхностную закалку. Цементация и нитроцементация обеспечивают максимальную несущую способность деталей.

Оптимальное сочетание прочности и износостойкости упроч­ненных слоев, а также прочности и вязкости сердцевины имеют цементуемые стали с С = 0, 10 ÷ 0, 25 %. После насыще­ния поверхности углеродом или одновременно углеродом и азо­том детали подвергают закалке и низкому отпуску. Упрочнен­ный слой должен иметь толщину не менее 0, 5-0, 6 мм. Толщиной слоя принято считать сумму толщин заэвтектоидной, эвтектоидной и переходной зон. Несущая способность детали определяется эффективной толщиной слоя, в которой С > 0, 4 %. На внутрен­ней границе этой зоны твердость равна 50 HRC_э, а на поверхнос­ти детали твердость должна быть равна 56-63 HRC_э. Для того чтобы в упрочненном слое распределение углерода по толщине было равномерным, используют диффузионное выравнивание. Оп­тимальная структура упрочненного слоя представляет собой мартенситную матрицу с содержащимися в ней карбидами и остаточ­ным аустенитом. Карбиды располагаются в виде мелких округ­лых частиц в заэвтектоидной зоне слоя на глубине 0, 1-0, 25 мм от поверхности. Эти карбиды увеличивают сопротивление дета­лей изнашиванию. Остаточный аустенит ускоряет приработку зубчатых пар, а в деталях под нагрузкой способствует релакса­ции напряжений, снижая их максимум. В этом отношении осо­бенно эффективен азотистый аустенит, получаемый при нитроцементации. Допустимое количество остаточного аустенита опреде­ляется условиями эксплуатации деталей: при 10-15 % он не ска­зывается существенно на долговечности зубчатых колес, при количестве около 40 % — снижает контактную выносливость тяжелонагруженных зубчатых колес.

Отдельную группу образуют теплопрочные комплексно-ле­гированные стали. Они сохраняют высокую твердость и проч­ность при температуре выше 200 °С благодаря повышенному со­держанию хрома и легированию молибденом вольфрамом и ва­надием.

Чем сложнее термическая обработка цементованных деталей, тем больше их деформация и трудоемкость шлифования для по­лучения точных размеров. Для автомобильных зубчатых пере­дач благодаря нитроцементации с непосредственной закалкой в мас­ле можно или обойтись без шлифования, или существенно умень­шить припуски на шлифование. Деформация нитроцементованных колес меньше, чем цементованных, благодаря более низкой температуре процесса, меньшей толщине упрочненного слоя и мень­шему содержанию в нем углерода (обычно С = 0, 7 % и N=0, 15-0, 30 %).

Механические свойства цементуемых сталей после закалки и низкого отпуска — высокая прочность в сочетании с высоким сопротивлением удару, поэтому они могут использоваться как кон­струкционные материалы без химико-термической обработки.

Теплопрочные стали используют для тяжелонагруженных ше­стерен летательных аппаратов. Несмотря на минимальные поте­ри энергии в зубчатых передачах, благодаря повышению точнос­ти изготовления зубчатых колес температура на рабочих поверх­ностях достигает 200-300 °С при работе в масляных ваннах. Зуб­чатые колеса из этих сталей содержат повышенное количество карбидов в рабочем слое, так как при цементации содержание углерода доводят до 1, 2-1, 6 %.Карбиды в слое обеспечивают по­вышение износостойкости и предела контактной выносливос­ти. Термическое упрочнение предусматривает высокий отпуск перед закалкой детали. Образовавшиеся во время отпуска карби­ды не растворяются полностью при нагревании под закалку. Для предварительных расчетов зубчатых колес на долговечность рег­ламентированы пределы контактной выносливости и пределы вы­носливости зубьев при изгибе (ГОСТ 21354-87) с учетом условий обработки колес.