2018-02-14
1501
ВВЕДЕНИЕ
Златоустовский металлургический завод является старейшим предприятием по производству специальных марок стали и сплавов, имеющих повышенные прочностные и пластические свойства при низких и высоких температурах, стойких к щелочам и кислотам, предназначенных для холодной высадки и горячей обработки, автоматных марок стали с регламентированными механическими свойствами и стали со специальными свойствами.
Специализация завода - производство металлопродукции нержавеющих, инструментальных, легированных конструкционных, быстрорежущих, штамповых, жаропрочных и прецизионных марок стали и сплавов, поставка которых осуществляется на внутренний и внешний рынок.
Завод производит около 1000 марок стали и сплавов, выплавленных в мартеновских, открытых дуговых и индукционных электропечах, рафинированных электрошлаковым (ЭШП) и вакуумно-дуговым (ВДП) переплавами, в агрегате ковш-печь (АКП). В составе завода функционируют мартеновский, три электросталеплавильных, два прокатных, молотовый и термокалибровочный цехи. Проектируемый в курсовом проекте участок будет располагаться на территории термокалибровочного цеха. В таблице 1 приведен марочный сортамент завода.
|
|
|
Таблица 1 - Марочный сортамент
| Группы марок стали и сплавов | Представительные марки стали | НТД |
| Конструкционные стали | ||
| углеродистые обыкновенного качества | ст.0сп-ст.6сп | ГОСТ 535-88, 380-94 |
| Углеродистые | 10, 15, 20, 25, 30, 35, 40, 45, 50, 55, 60 | ГОСТ 1050-88 |
| Легированные | 15-50Х; 20-40Г; 45Г2; 18-50ХГ; 18-30ХГТ; 25-38ХГМ; 20-27ХГР; 33-40ХС; 30-38ХМА; 30Х3МФ; 40-60ХФА; 12-50ХН; 15ХФ; 12-30ХН3А; 20-35ХГСА; 15ХГН2ТА; 40Х2Н2МА; 18Х2Н4МА; 12-25Х2Н4ВА; 38Х2МЮА | ГОСТ 4543-71 |
| высокой обрабатываемости резанием | АЦ40ХГНМ | ТУ 14-1-1859-76 |
| А12; А40Г; АС14; АС35Г2 | ГОСТ 1414-75 | |
| АВ19ХГН; АВ35Г2 | ТУ 14-136-344-98 | |
| А75 | ТУ 14-1-3390-82 | |
| рессорно-пружинные стали | 65-70Г; 55-60С2А; 60С2Г; 50ХФА; 60-70С2ХА | ГОСТ 14959-79 |
| теплоустойчивые стали | 12-25Х1МФ; 15Х5М | ГОСТ 20072-74 |
| Инструментальные стали | ||
| Углеродистые | У7,У8, У10; У7А; У8А; У10А; У12А | ГОСТ 1435-99 |
| Легированные | 7Х3; 8ХФ; 9ХВГ; 6ХВ2С; 4Х5МФС; 5ХНМ; 9ХС; 3Х3М3Ф | ГОСТ 5950-2000 |
| Х12; Х12Ф1; Х12МФ | ||
| Быстрорежущие | Р18; Р6М5; Р6М5К5; Р6М5Ф3 (Ы80 - ЭШП) | ГОСТ 19265-73 |
| Подшипниковые | ШХ15 | Т.д. 335 ГОСТ 801-78 |
| Коррозионно-стойкие стали | 40Х10С2М; 15Х11МФ; 20-40Х13; 95Х18; 20Х13Н4Г9; 09Х16Н4Б; 15Х12ВНМФ; 25Х13Н2; 14Х17Н2; 12Х17; 08Х18Н10; 08-12Х18Н10Т; 10Х17Н13М2Т (ЭИ448); 20Х23Н18 (ЭИ417) | ГОСТ 5632-72 |
| Жаропрочные стали и сплавы | 45Х14Н14В2М (ЭИ69); ХН35ВТ (ЭИ612); ХН75МБТЮ (ЭИ602); ХН78Т (ЭИ435); ХН77ТЮР (ЭИ437Б) | ГОСТ 5632-72 |
На Златоустовком металлургическом заводе широкий профилеразмерный сортамент, который представлен в таблице 2.
Таблица 2 - Профилеразмерный сортамент
| Профиль | Способ изготовления | Размер | НТД | ||
| круг
| Катаный | 8-200 | ГОСТ 2590-88, ТУ 14-136-347-2001 | ||
| Кованый | 60-260 | ГОСТ 1133-71 | |||
| Трубная заготовка | 80-200 | ОСТ 14-21-77, | |||
| ТУ 14-1-565-84, ТУ 14-1-1529-93 | |||||
| Калиброванный | 1,5-60 | ГОСТ 7417-75 | |||
| Со спец. oтделкой поверхности | 1,2-47 (шлифованный Б, В, Г, Д h9-h11) | ГОСТ 14955-77 | |||
| 13-120 (полированный Б, В h9-h12) | |||||
| квадрат | Катаный | 28-250 | ГОСТ 2591-88, ТУ 14-1-4492-88 | ||
| Кованый | 60-200 | ГОСТ 1133-77 | |||
| Калиброванный | 5-20 | ГОСТ 8559-75 | |||
| осевая заготовка для подвижного состава ж/д | 190, 210, 215, 220, 250 | ГОСТ 4728-96 | |||
| трапеция | Калиброванная | 8,4*7,3*10 | ГОСТ 11850-72 | ||
| шестигранник | Калиброванный | 4-41 | ГОСТ 8560-78 | ||
| полоса | Катаная | 9-44х*40-100 | ГОСТ 4405-75 | ||
| Кованая | 25-75*60-300 | ГОСТ 4405-75 | |||
| сутунка | Катаная | 318,5-75*250-260 (L=0,7-1,1 м) | ТУ 14-136-335-91 | ||
| Кованая | 35-75*125-275 (L=0,8-1,2 м) | ТУ 14-136-335-91 | |||
| проволока | Круг | 1-14 | ГОСТ 2246-70 | ||
| Квадрат | 2-5 | ГОСТ 11850-72 | |||
| Прямоугольник | 2-3,5*3-5,0 | ГОСТ 9389-75 | |||
| спец. профили | Профиль для ножей обувной промышленности | 105*5,5*10; 105*2,6*5 | ТУ 14-136-307-82 | ||
| Косная полоса | 100х*11,8*5,5 | т.д. 445 | |||
| Профиль для диффузионных ножей Свекольной промышленности | 97х*14,2х*5,9 | ТУ 14-136-329-99 | |||
| полоса для ножей дорожных машин (36Г2СР) | 254*19*10 | ТУ 14-136-348-2002 | |||
| сталь арматурная | 6, 8, 12 (калиброванная) | ТУ 14-1-5248-94 | |||
| 8, 10, 12, 14, 16 (горячекатаная) кл. А-I, A-III | ГОСТ 5781-82 | ||||
| слитки ЭШП, ВДП | 400, 440, 450, 490, 620 | ТУ 14-1-890-74 |
Завод выпускает такую сталь как 30ХГСА, предназначенная для изготовления различных улучшаемых деталей: валы, оси, зубчатые колеса, фланцы, корпуса обшивки, лопатки компрессорных машин, работающие при температуре до 200 °С, рычаги, толкатели, ответственные сварные конструкции, работающие при знакопеременных нагрузках, крепежные детали, работающие при низких температурах (ГОСТ 4543-71). Заменителями данной марки стали служат 40ХФА, 35ХМ, 40ХН, 25ХГСА, 35ХГСА. Из стали 30ХГСА получают прутки диаметром 30 мм, длиной до 6 м (ГОСТ 2590-88). Проектируемый участок должен повысить производительность термокалибровочного цеха, завода в целом, повысить качество готовой продукции, улучшить условия труда, снизить себестоимость готовой продукции.
Классификация изделий
По одной технологии и на однотипном оборудовании обрабатываются следующие изделия, приведенные в таблице 3.
Таблица 3 - Классификация изделий
| Наименование изделия | Марка материала | Диаметр прутка, мм | Технологические требования по термообработке (ГОСТ 4543-71) |
| Круг катанный | 30ХГСА | 10 | Твёрдость не более 229 НВ, микроструктура ─ сорбит |
| Круг катанный | 30ХГСА | 25 | |
| Круг катанный | 30ХГСА | 35 | |
| Круг катанный | 30ХГСА | 60 | |
| Круг катанный | 30ХГСА | 30 | |
| Круг катанный | 30ХГСА | 50 | |
| Круг катанный | 30ХГСА | 45 | |
| Круг катанный | 30ХГСА | 32 | |
| Шестигранник калиброванный | 30ХГСА | 30 | |
| Шестигранник калиброванный | 30ХГСА | 25 | |
| Шестигранник калиброванный | 30ХГСА | 40 |
Характерное изделие в качестве представителя выбираем круг катанный диаметром 30 мм из стали марки 30ХГСА, в термообработанном состоянии.
Характеристика изделия
Эскиз изделия – представителя с длиной прутка L и диаметром D, показан на рисунке 1.
 |
Зубья колес из улучшаемых сталей хорошо прирабатываются и не подвержены хрупкому разрушению, но имеют ограниченную нагрузочную способность. Применяют в средненагруженных передачах. Можно рекомендовать для быстроходной ступени в многоступенчатых редукторах при необходимости обеспечения жесткости вала. Исходя из условий работы зубчатых колес, прутки должны обладать следующими свойствами:
- прочность поверхностного слоя и высокое сопротивление истиранию;
- достаточная прочность при изгибе;
- обрабатываемость, возможность получения достаточной точности и чистоты поверхности.
Важнейшими критериями работоспособности зубчатых колёс приводов являются объёмная прочность зубьев и износостойкость их активных поверхностей. Нагрузочная способность хорошо смазанных поверхностей ограничивается сопротивлением выкрашиванию. Для уменьшения расхода материалов назначают высокую твёрдость трущихся поверхностей.
|
|
|
Несущая способность зубчатых передач по контактной прочности тем выше, чем выше поверхностная твердость зубьев. Повышение твердости в два раза позволяет уменьшить массу редуктора примерно в четыре раза.
В зависимости от твердости (или термообработки) стальные зубчатые колеса разделяют на две основные группы: твердостью Н < 350 НВ — зубчатые колеса, нормализованные или улучшенные; твердостью Н > 350 НВ — с объемной закалкой, закалкой ТВЧ, цементацией, азотированием и др. Эти группы различны по технологии, нагрузочной способности и способности к приработке.
Твердость материала Н < 350 НВ позволяет производить чистовое нарезание зубьев после термообработки. При этом можно получать высокую точность без применения дорогих отделочных операций (шлифовки, притирки и т. п.). Колеса этой группы хорошо прирабатываются и не подвержены хрупкому разрушению при динамических нагрузках. Термическую обработку проводят до нарезания зубьев.
Готовое зубчатое колесо должно обладать следующими свойствами: твердостью НВ < 350 ед., пределом прочности σв 1000 – 1200 МПа, пределом текучести σ0,2 800 - 850 МПа, прокаливаемостью HRCэ 50 – 55 [3].
3 Выбор материала
Материалы зубчатых колес выбирают в зависимости от назначения и условий работы передачи. Основные требования к материалам, идущим на изготовление зубчатых колес это твердостью НВ < 350 ед., предел прочности σв 1000 –1200 МПа, предел текучести σ0,2 800 - 850 МПа, прокаливаемость HRCэ 50 – 55.
Основным материалом зубчатых колёс является сталь, используют также чугун. Для уменьшения опасности повреждения поверхности зубьев применяют термообработку. Твердость поверхности должна быть такой, чтобы получить колеса необходимой точности.
Выбор марок сталей для зубчатых колёс. В термически необработанном состоянии механические свойства всех сталей без термообработки недопустимо. При выборе марки сталей для зубчатых колёс, кроме твёрдости, необходимо учитывать размеры заготовки. Это объясняется тем, что прокаливаемость сталей различна: углеродистых – наименьшая; высоколегированных – наибольшая. Стали с плохой прокаливаемостью (углеродистые конструкционные) при больших сечениях нельзя термически обработать на высокую твёрдость. Поэтому марку стали для упрочняемых зубчатых колёс выбирают с учётом их размеров, а именно диаметра D вала- шестерни или червяка и наибольшей ширины сечения колеса S с припуском на механическую обработку после нормализации или улучшения.
|
|
|
Из рекомендаций по выбору механических свойств наиболее употребляемых марок сталей в зависимости от термообработки (твёрдости) с учётом размеров зубчатых колёс следует, что для одной и той же марки стали в зависимости от вида термообработки можно получить различные механические свойства. Поэтому при выборе материала для шестерни и для шестерни и колеса желательно ориентироваться на применение одной и той же марки стали, но с различной твёрдостью (различной термообработкой). При этом необходимо принимать среднее значение твёрдости данной марки стали как наиболее вероятное.
Зубчатые колеса изготовляют из улучшаемых сталей, например 45, 40Х, 40ХН, 30ХГСА и др. В зависимости от условий работы зубчатые колеса подвергают различной термической обработке: нормализации, улучшению, закалке и низкому отпуску, цианированию (нитроцементации) с последующей закалкой и отпуском. Высоким комплексом свойств обладают, хромокремнемарганцевые стали (хромансил) – это стали конструкционные легированные. Стали 20ХГСА, 25ХГСА и 30ХГСА обладают высокой прочностью и хорошей свариваемостью. Однако сталь 30ХГСА флокеночувствительна и склонна к отпускной хрупкости первого и второго рода. Заменители стали 40ХФА и 35ХМ. Применяют для различных улучшаемых деталей: валы, оси, зубчатые колеса, фланцы, корпуса обшивки, лопатки компрессорных машин, работающие при температуре до 200 °С, рычаги, толкатели, ответственные сварные конструкции, работающие при знакопеременных нагрузках, крепежные детали, работающие при низких температурах. Химический состав материала 30ХГСА представлен в таблице 4.Для выбора температуры термической обработки необходимы критические точки данной стали, которые приведены в таблице 5. В таблице 6 представлены механические свойства стали 30ХГСА, а так же прокаливаемость. Химический состав, критические точки и механические свойства сталей 30ХГСА, 40ХФА и 35ХМ взяты из ГОСТ 4543 – 71 «Прокат из легированной конструкционной стали». Как видно из таблицы данная сталь по механическим свойствам полностью удовлетворяет требованиям, предъявляемым к материалу для изготовления зубчатых колес.
Таблица 4 – Химический состав стали 30ХГСА, в %
| C | Si | Mn | Cr | Ni | Cu | S | P |
| не более | |||||||
| 0,28-0,34 | 0,90-1,20 | 0,80-1,10 | 0,80-1,10 | 0,30 | 0,30 | 0,0025 | 0,0025 |
Таблица 5 - Критические точки стали
| АС1, 0С | АС3, 0С | Аr1, 0С | Ar3, 0С | Мн, 0С |
| 760 | 830 | 670 | 705 | 352 |
Таблица 6 - Механические свойства и прокаливаемость стали 30ХГСА
| Марка стали | σ0,2, МПа | σв, МПа | δ, % | Ψ, % | КСU, Дж/см2 | ||||||||
| 30ХГСА | 830 | 1080 | 10 | 45 | 49 | ||||||||
| Расстояние от торца, мм / HRCэ | |||||||||||||
| 1.5 | 3 | 4.5 | 6 | 9 | 12 | 15 | 18 | 21 | 24 | ||||
| 50.5-55 | 49-54 | 47.5-53 | 46-52.5 | 41.5-52 | 38-51 | 36-48.5 | 35.5-46.5 | 33-44.5 | 30-43 | ||||
Для сравнения рассмотрим марки заменители данной стали. Они сходны по химическому составу, свойствам и обрабатываются по такой же технологии. Химический состав стали 40Х представлен в таблице 7.
Таблица 7 - Химический состав стали 40ХФА
| С | Cr | V | Si | Mn | Cu | Ni | P | S |
| Не более | ||||||||
| 0.37-0.44 | 0,80-1,10 | 0,10-0,18 | 0,17-0,37 | 0,50-0,80 | 0,30 | 0,30 | 0,025 | 0,025 |
В следующей таблице представлена прокаливаемость, и механические свойства данной стали.
Таблица 8 - Механические свойства и прокаливаемость стали 40ХФА
| Марка стали | σ0,2, МПа | σв, МПа | δ, % | Ψ, % | КСU, Дж/см2 | ||||||||
| 40ХФА | 730 | 880 | 10 | 50 | 88 | ||||||||
| Расстояние от торца, мм / HRCэ | |||||||||||||
| 1.5 | 3 | 4.5 | 6 | 9 | 12 | 15 | 18 | 27 | 39 | ||||
| 51.5-60.5 | 51.5-59.5 | 50.5-58.5 | 48-57.5 | 39.5-54 | 35-50.5 | 34-46.5 | 32.5-43 | 30.5-39 | 27-39 | ||||
Как видно из приведенных выше таблиц сталь – заменитель уступает по механическим свойства и прокаливаемости стали 30ХГСА. Она после окончательной термической обработки имеет предел прочности ≈ на 200 МПа меньше. Прокаливаемость данной стали на несколько единиц выше стали изделия – представителя. Применение стали с прокаливаемостью выше требуемой опасно, так как поверхность зубьев может оказаться чрезмерно твердой вследствие большой глубины проникновения закаленного слоя, что может привести к поломке зубьев. В таблице 9 приведен химический состав еще одной стали заменителя.
Таблица 9 - Химический состав стали 35ХМ
| С | Cr | Mo | Si | Mn | Cu | Ni | P | S |
| Не более | ||||||||
| 0,32-0,40 | 0,80-1,10 | 0,15-0,25 | 0,17-0,37 | 0,40-0,70 | 0,30 | 0,30 | 0,035 | 0,035 |
Таблица 10 - Механические свойства и прокаливаемость стали 35ХМ
| Марка стали | σ0,2, МПа | σв, МПа | δ, % | Ψ, % | КСU, Дж/см2 | ||||||||
| 35ХМ | 835 | 930 | 12 | 45 | 78 | ||||||||
| Расстояние от торца, мм / HRCэ | |||||||||||||
| 1.5 | 3 | 4.5 | 6 | 9 | 12 | 15 | 18 | 24 | 33 | ||||
| 47.5-56.5 | 46.5-55.5 | 45-54 | 43.5-53 | 39-43 | 35-43 | 32-39 | 30-36.5 | 28-34.5 | 25-33.5 | ||||
Данная марка превосходит предыдущую по пределу прочности, но уступает по величине прокаливаемости. В то же время величина прокаливаемости ниже требуемой, что отрицательно скажется на сопротивлении истираемости при эксплуатации изделия. Все представленные в таблицах механические свойства были определены после закалки 850 - 880 0С, охлаждение в масле и отпуска при температуре 540 - 650 0С, с охлаждением в воде или масле.
Данные стали приобретают свои свойства благодаря химическому составу. Влияние оказывают малейшие проценты того или иного элемента. Так свое влияние оказывает углерод. Углерод оказывает существенное влияние на технологические свойства стали: свариваемость, обрабатываемость давлением и резанием. С увеличением содержания углерода ухудшается свариваемость, а также способность деформироваться в горячем и особенно в холодном состоянии. Углерод находится в стали обычно в виде химического соединения Fe3C, называемого цементитом. Сталь 30ХГСА содержит оптимальный уровень углерода, который обеспечит требуемые свойства в готовом изделии. На рисунке 2 показано влияние углерода на прочностные и пластические характеристики стали. С увеличением содержания углерода до 1,2% твердость, прочность и упругость стали увеличиваются, но пластичность и сопротивление удару понижаются, а обрабатываемость ухудшается, ухудшается и свариваемость. Так же снижаются показатели относительного удлинения и относительного сужения. Рост прочности происходит при содержании в стали до 0,8 - 1,0% С. При увеличении содержания углерода более 1,0% уменьшается не только пластичность, но и прочность стали. Это связано с образованием сетки хрупкого цементита вокруг перлитных зерен, легко разрушающейся при нагружении. По этой причине заэвтектоидные стали подвергают специальному отжигу, в результате которого получают структуру зернистого перлита. Существенную роль играет то, что изменение физических свойств приводит к ухудшению целого ряда технологических, таких как деформируемость, при штамповке, свариваемость и др. Так хорошей свариваемостью отличаются низкоуглеродистые стали. Сварка средне- и особенно высокоуглеродистых сталей требует применения подогрева, замедляющего охлаждение и других технологических операций, предупреждающих образование.
Рисунок 2 - Влияние углерода на свойства стали
Также в каждой стали присутствуют постоянные примеси. Это кремний, марганец, сера и фосфор, которые в свою очередь тоже оказывают вредное влияние, поэтому их содержание стремятся сократить до минимума.
Кремний вводят в сталь для раскисления. Содержание кремния как технологической примеси обычно не превышает 0,37%. Кремний присутствует в сталях и сплавах в твердом растворе α-Fe и как технологическая примесь влияния на свойства стали не оказывает. При повышении содержания кремния значительно улучшаются упругие свойства, магнитопроницаемость, сопротивление коррозии и стойкость против окисления при высоких температурах. Сталь 30ХГСА содержит повышенное содержание кремния (~0,90 - 1,20 %). Данное содержание обусловлено необходимостью повысить стойкость зубчатых колес против коррозии при повышенных температурах.
Марганец вводят в стали как технологическую добавку для повышения степени их раскисления и устранения вредного влияния серы. Марганец считается технологической примесью при его содержании, не превышающем 0,8%. Марганец присутствует в сталях и сплавах в виде твердого раствора α-Fe и как технологическая примесь и существенного влияния на свойства стали не оказывает. Однако марганец образует с железом твердый раствор и несколько повышает твердость и прочность стали, незначительно уменьшая ее пластичность. Марганец связывает серу в соединение MnS, препятствуя образованию вредного соединения FeS, которое имеет низкую температуру плавления. Располагаясь по границам зерен, оплавляется при нагреве под горячую обработку давлением, поэтому при горячей пластической деформации приводит к образованию трещин или разрушению. При высоком содержании марганца сталь приобретает исключительно большую твердость и сопротивление износу.
Сера является вредной примесью. Пределы содержания серы как технологической примеси составляют 0,035...0,06%. Сера практически нерастворима в аустените и присутствует в сталях и сплавах в виде хрупких сульфидов FeS и MnS, входящих в эвтектику с температурой плавления 985°С. Причем эта эвтектика, как правило, кристаллизуется по границам зерен. Повышение содержания серы существенно снижает механические и физико-химические свойства сталей, в частности, пластичность, ударную вязкость, сопротивление истиранию и коррозионную стойкость. При горячем деформировании сталей и сплавов большое содержание серы ведет к красноломкости, проявляющейся появлением надрывов по включениям FeS. Кроме того, повышенное содержание серы снижает свариваемость готовых изделий. Сера, увеличивает истираемость стали, понижает сопротивление усталости и уменьшает коррозионную стойкость. Увеличение хрупкости стали при повышенном содержании серы используется, иногда для улучшения обрабатываемости на станках, благодаря чему повышается производительность при обработке.
Фосфор, как и сера, относится к наиболее вредным примесям в сталях и сплавах. Пределы содержания фосфора как технологической примеси составляют 0,025...0,045%. Фосфор в сталях и сплавах присутствует в твердом растворе α - Fe. Он образует с железом соединение Fe3P, которое растворяется в железе. Кристаллы этого химического соединения очень хрупки. Обычно они располагаются по границам зерен стали, резко ослабляя связь между ними, вследствие чего сталь приобретает очень высокую хрупкость в холодном состоянии (хладноломкость). Особенно сказывается отрицательное влияние фосфора при высоком содержании углерода. Увеличение его содержания даже на доли процента, повышая прочность, одновременно повышает текучесть, хрупкость и порог хладноломкости и снижает пластичность и вязкость. Это объясняется тем, что фосфор вызывает сильную внутрикристаллическую ликвацию и способствует росту зерен в металле. Обрабатываемость стали, фосфор несколько улучшает, так как способствует отделению стружки.
Сталь 30ХГСА флокеночувствительная. Флокены – это внутренние трещины в стальных поковках и прокатной продукции (иногда – в слитках или отливках), резко снижающие механические свойства стали. На протравленных шлифах флокены выявляются в виде тонких волосовин, а в изломе закалённых образцов представляют собой овальные кристаллические пятна серебристо-белого цвета, отличающиеся от основной серой массы излома. Основная причина образования флокенов – присутствие в стали повышенного количества водорода, а наиболее вероятный механизм этого процесса – адсорбция водорода на поверхностях микронесплошностей с понижением поверхностной энергии, что облегчает разрушение. Образование зон с повышенной адсорбцией водорода, где зарождаются флокены, стимулируют внутренние растягивающие напряжения, возникающие в стали при структурных превращениях, пластической деформации, неравномерном охлаждении. Снижение сопротивления металла разрушению в местах концентрации напряжений у скоплений дефектов кристаллической решётки, неметаллических включений, ликвидационных неоднородностей также способствует возникновению флокенов. Способы борьбы с ними: термическая обработка изделий по специальным противофлокенным режимам, а также вакуумирование жидкой стали, при котором содержание водорода снижается до безопасного уровня.
Легирующим элементом рассматриваемой стали является хром. Хром – наиболее дешевый и распространенный элемент. Он повышает твердость и прочность, незначительно уменьшая пластичность, увеличивает коррозионную стойкость; содержание больших количеств хрома делает сталь нержавеющей и обеспечивает устойчивость магнитных сил.
Хром, подобно углероду, обладает свойством значительно повышать твердость стали и увеличивать предел ее упругости. Влияние это обнаруживается уже при содержании хрома в 1 %, с наибольшей же интенсивностью оно проявляется при содержании хрома в 2 — 2,5 %. При испытании на разрыв образцов из закаленной стали, содержащей хром, они оказывают иногда сопротивление до 140 кг на кв. мм, при большем удлинении, чем обыкновенные стальные образцы с тем же содержанием углерода. Имея в не закаленном состоянии излом, ничем не отличающийся от излома обыкновенной углеродистой стали, сталь легированная хромом принимает после закалки излом чрезвычайно тонкозернистый с шелковистым блеском.
Ощутительный недостаток стали легированной хромом составляет ее полная неспособность свариваться, объясняющаяся тем, что окись хрома весьма тугоплавка. В малых дозах примесь хрома повышает прочность железа, не вызывая его охрупчивания. Изделия из стали легированной хромом нуждаются в тщательном отжиге, который приводит предел упругости, повышенный закалкой, к нормальной его величине. Нагрев стали с хромом при ее обработке должно производиться с особой осмотрительностью, так как она гораздо сильнее, чем обыкновенная углеродистая сталь, склонна пережигаться, а в пережженном состоянии принимает грубозернистый излом и делается весьма хрупкой.
Легирование хромом не только обеспечивает коррозионную стойкость сталей в окислительных средах, но и определяет их структуру, механические свойства, жаропрочность, технологические свойства. Образуя с железом непрерывный ряд твердых растворов при концентрациях до 12 %, хром затем способствует замыканию γ-области, что является основной причиной формирования в хромистых сталях различной структуры и многообразия их свойств. В соответствии с диаграммой Fe – Cr представленной на рисунке 2 γ-область ограничена справа двумя линиями, замыкающими гетерогенный участок α(δ) + γ.
Рисунок 3 - Диаграмма состояния железо - хром
Хром сильно влияет на положение критических точек, отмечающих α→γ-превращение. Вначале увеличение содержания хрома приводит к понижению точки А3. При концентрациях до 8 % хром относится к элементам, способствующим устойчивости аустенита и расширению его температурной области. Большие концентрации хрома повышают точку А3. У сплавов с α→γ-превращением легирование хромом значительно снижает также критическую скорость охлаждения. В результате этого при низком содержании углерода у хромистых сталей возможно формирование однофазной мартенситной структуры.
Заменителями стали 30ХГСА являются 40ХФА и 35ХМ, которые легированы, помимо уже рассмотренных элементов, ванадием и молибденом. Ванадий в стали является одной из ценнейших полезных примесей и широко используется и как раскисляющая, и как легирующая добавка при выплавке конструкционной, рессорно-пружинной, инструментальной и других сталей. Ванадий является карбидообразующим элементом. Карбиды ванадия распределяясь в виде дисперсных включений, препятствуют росту зерна при нагреве стали. В сталях, применяемых в машиностроении, ванадия обычно содержится до 0,3% и редко до 1%.
По сродству к кислороду ванадий занимает промежуточное положение между марганцем и кремнием, т. е. является не очень сильным раскислителем. Но образуя прочный нитрид, даже при содержаниях 0,07— 0,10% ванадий существенно снижает вредное влияние азота, например делает сталь нестареющей. Положительное влияние ванадия как легирующего элемента сказывается при содержаниях 0,15—0,25% и выше. Он, образуя тугоплавкие нитриды и карбиды, способствует измельчению первичного и вторичного зерна, повышает твердость и износоустойчивость стали, а растворяясь в феррите, повышает предел текучести и улучшает пластичность (ударную вязкость). Ничтожные добавки ванадия повышают упругость и прочность стали примерно на 50%.
Молибден при введение в сталь, даже в небольших количествах увеличивает красностойкость, упругость, предел прочности на растяжение, антикоррозионные свойства и сопротивление окислению при высоких температурах. Этот элемент задерживает рост зерна металла в процессе кристаллизации и тем самым обеспечивает ей мелкозернистую однородную структуру, благодаря которой сталь обретает прочность и другие ценные свойства. Молибден добавляется в сталь вместе с никелем и хромом. В сталях различных марок молибдена содержится до 0,45% и редко до 1%. В сплаве с хромом и никелем молибден повышает прочность и вязкость стали, но понижает теплопроводность. Чем больше в стали молибдена, тем медленнее ее надо греть, так как наличие молибдена сильно повышает чувствительность стали к перегреву. Молибденовые стали требуют интенсивной проковки на более мощных, прессах или молотах, чем прессы и молоты, на которых куются углеродистые стали. Охлаждать поковки из молибденовой стали нужно медленно, строго по технологическому процессу, так как молибденовая сталь принимает воздушную закалку и предрасположена к образованию трещин.
При выборе материала для зубчатых колес не маловажным является и стоимость материала, она должна оправдывать затраты на изготовление. При сравнении выше представленных марок стали самой дешевой являетсясталь 30ХГСА, это объясняется тем, что она легирована не дефицитными элементами. Ванадий, молибден являются более дорогими и дефицитными легирующими элементами. Поэтому приходим к выводу, что целесообразно применить сталь 30ХГСА, так как она удовлетворяет требованиям по механическим свойствам, технологическим и с экономической точки зрения.
