4. Хромоникелевые стали
Состав и свойства хромоникелевой стали.
Сталь AISI 304. Базовая аустенитная нержавеющая сталь (аналог 08Х18Н9). Превосходные показатели по свариваемости. При длительном использовании при температуре от 450–850°С в стали может развиваться процесс МКК. Данная сталь является основной сталью для пищевой промышленности.
Сталь AISI 304L. Полный аналог стали AISI 304, но содержание углерода менее 0,03%, что гарантирует минимальную склонность к МКК даже при температуре 450–850°С. Данная сталь является основной сталью для пищевой промышленности.
Сталь AISI 321. Аналог стали 08Х18Н10Т. При достаточно высоком содержании углерода для защиты от МКК применяется легирование титаном. Возможно длительное использование при температуре 700–800°С. Данная сталь активно применяется в машиностроении и нефтехимии.
Сталь AISI 316. Данная сталь содержит 2–3% молибдена, что обеспечивает прекрасную устойчивость против коррозии в агрессивных средах. При критических температурах (порядка 800°С) возникает опасность МКК. Данная сталь является основной сталью для пищевой промышленности.
Сталь AISI 316L. Аналог стали AISI 316, но с добавлением титана, что обеспечивает защиту от МКК даже в диапазоне критических температур 800–850°С. Данная сталь активно применяется в машиностроении и нефтехимии.
Сталь хромоникелевая и хромоникелевая с бором.
Совместное присутствие в стали хрома и никеля придает её наилучший комплекс механических и технологических свойств, в первую очередь высокую прочность, вязкость, прокаливаемость. Однако, из-за дифицитности никеля производство данной стали уменьшается.
Хромоникелевая сталь (марки 12ХН2, 12ХНЗА, 12Х2Н4А, 20ХНЗА, 20Х2Н4А, 20ХН) и хромоникелевая сталь с бором (марка 20ХНР) применяются после цементации, закалки и низкого отпуска для изготовления крупных деталей особо ответственного назначения, испытывающих в процессе эксплуатации значительные ударные нагрузки.
Одновременное легирование хромом и никелем повышает прочность, пластичность и вязкость цементированного слоя и сердцевины.
Высокая прокаливаемость и закаливаемость хромоникелевых сталей позволяет закаливать крупные детали с охлаждением в масле, что снижает вероятность возникновения коробления и закалочных трещин. Бор увеличивает прокаливаемость стали марки 20ХНР.
Хромоникелевая сталь малочувствительная к перегреву при длительной цементации. С целью экономии никеля при изготовлении ответственных деталей небольших размеров производят замену сталей, содержащих 2,75–3,65% никеля (марки 12ХНЗА, 20ХНЗА и др.), более дешевыми сталями марок 20ХН и 20ХНР. Сталь данной группы склонна к отпускной хрупкости, имеет ограниченную свариваемость.
Ряд сталей данной группы применяется и без цементации, после закалки и отпуска.
Хромоникелевая сталь (марки 40ХН, 45ХН, 50ХН, 30ХНЗА) высокой прочности, повышенной вязкости и глубокой прокаливаемости применяется после нормализации, улучшения, закалки и низкого отпуска и поверхностного упрочнения ТВЧ для изготовления крупных особо ответственных деталей, работающих при наличии ударных и вибрационных нагрузок. Сталь марки 30ХНЗА – ограниченно свариваемая, остальные – трудносвариваемые.
Если сталь кроме Cr содержит еще Ni, Mn, Mo, то ее структура из ферритной может измениться на ферритно-аустенитную или даже на чистую аустенитную. Т.е. после охлаждения на воздухе сталь сохраняет аустенитную структуру, которая не меняется ни при каких вариантах термообработки. При содержании Ni>10% сталь становиться аустенитной. Аустенит позволяет получить не только коррозионную стойкость, но так же и высокие технические свойства. Сталь хорошо поддается обработке давлением, сварке, сохраняет свойства до 600–700°С, не охрупчивается, не чувствительна к хладколомкости, но сталь склонна к межкристаллитной коррозии и ее невозможно упрочнять закалкой. Термообработка: закалка + отжиг.
И после сварки и после отжига структура одинаковая, одинаковые свойства. Закалке подвергают тонкостенные изделия простой формы и небольшого размера. Температура и закалки, и отжига одинакова и зависит от состава стали. Если сталь содержит только Cr, Ni, то температура не должна превышать 950–1000°С. Увеличение температуры вызывает резкий рост зерна и снижение характеристик. Охлаждение при закалке должно быть таким, чтобы не попасть в область выделения карбидов Cr. Уменьшение стоимости хромоникелевых сталей можно добиться, если вместо Ni вводить Mn. Для того, чтобы стабилизировать структуру, необходимо, чтобы Cr<15%, Mn>15%. Если условие не выполняется, то мы получаем сталь с неустойчивым структурным состоянием. Для получения стабильной аустенитной структуры Ni заменяют частично (10Х14Г14Н4Т, 20Х13Н4г9). Термообработка принципиально не отличается от термообработки хромоникелевых сталей. Такой недостаток хромоникелевых сталей, как склонность к росту зерна, можно устранить, используя для сварных деталей стали ферритно-аустенитного класса (15Х22Н5М5Т) или аустенитно-мартенситного класса (08Х15Н5Д2Т). Стали аустенитно-мартенситного класса обладают повышенной твердостью. Чисто аустенитные стали склонны к коррозии под напряжением. Даже самые лучшие аустенитные стали оказываются недостаточно стойкими при контакте с кислотами. Поэтому разработаны коррозийно-стойкие сплавы: Fe – Ni – Cr (04ХН40МДТЮ). Ni – Cr (ХН45В). Ni – Мо (Н70МФ). Cr – Ni – Мо (ХН65МВ).
5. Хромистые стали
Хром в качестве легирующего элемента получил широкое применение, так как он относительно дешев и благоприятно влияет на механические свойсва стали.
Хромистая цементуемая сталь (марки 15Х, 15ХА, 20Х) из-за неглубокой прокаливаемости применяется для изготовления деталей небольшого сечения, работающих на износ в условиях трения при средних нагрузках. По сравнению с углеродистыми хромистые стали имеют более высокую прочность цеменованного слоя и серуевины при несколько меньшей пластичности серцевины. После цементации (900–920°С) стали обычно подвергают закалке и низкому отпуску. Цементация с двойной закалкой, хотя и обеспечивает наиболее высокие свойства сердцевины, на практике применяется редко, ибо при данной обработке увеличивается коробление изделий, что требует правки или повышения припуска на окончательную механическую обработку.
Хромистая цементуемая сталь несклонна к отпускной хрупкости, хорошо обрабатывается резанием и имеет неограниченную свариваемость.
Хромистая улучшаемая сталь (марки 30Х, 30ХРА, 35Х, 38ХА, 40Х, 45Х, 50Х) также имеет более высокую прочность по сравнению с соответствующей углеродистой. Сталь данной группы склонна к отпускной хрупкости. Стали марок 45Х и 50Х склонны к образованию трещин при закалке в воде.
Введение в хромистые стали бора увеличивает их прокаливаемость, но несколько повышает порог хладноломкости.
Детали из хромистой стали, работающие на износ в условиях трения, подвергают цианированию.
6. Винтовые механизмы и резьбы
Винтовые механизмы предназначены для преобразования вращательного движения в поступательное, реже – для превращения поступательного движения во вращательное. Последнее возможно только в том случае, когда угол подъема резьбы достаточно велик и передача несамотормозящаяся. Основными деталями таких механизмов являются винт и гайка.
Обозначим шаг резьбы винта tв. За nоборотов винта гайка, движущаяся только поступательно, пройдёт расстояние S = n*tв.
Если известен путь гайки S и требуется определить число n оборотов винта, то n = S/ tв = 25\10 = 2,5 оборота.
Гайку часто делают разрезной – их двух половин, охватывающих винт с двух сторон. Винты изготовляют из качественной стали, а гайки – из чугуна или бронзы. Коэффициент полезного действия таких пар достигает h = 0,8 – 0,95.
Ещё больший эффект достигается применением шариковых винтов, которые используют для червяков рулевого управления автомобилей, для механизмов наводки ракет и ходовых винтов станков. Канавки шарикового винта 1 и гайки 4 в осевом сечении имеют полукруглую форму. Непрерывный замкнутый поток шариков 2 заполняет винтовое пространство между жалобами по всей длине гайки. Пройдя его, шарики 2 переходят в округленный трубчатый канал 3, по которому они возвращаются в рабочую зону винтовой пары. Коэффициент полезного действия шариковой винтовой пары намного выше, чем у обычной, вследствие резкого снижения трения в резьбе.
Понятие о резьбе
Резьба – винтовая поверхность, образованная на телах вращения и используемая для соединения, уплотнения или обеспечения заданных перемещений деталей машин и механизмов. Приемы нарезания резьбы и используемый при этом режущий инструмент – определяющие факторы для вида и профиля резьбы. Резьба может быть однозаходной, образованной одной винтовой линией (ниткой), или многозаходной, образованной, соответственно, двумя и более нитками. Направление винтовой линии резьбы определяет их деление на правые и левые. Шаг резьбы представляет собой расстояние между соседними одноименными боковыми сторонами профиля в направлении, параллельном оси резьбы. Нарезание наружной и внутренней резьбы требует различного подхода и использования различных методик.
Наиболее распространенными соединениями деталей машин являются резьбовые. Широкое применение резьбовых соединений в машинах и механизмах объясняется их простотой надёжностью, удобством регулирования затяжки, а также возможностью их разборки и повторной сборки без замены детали.
Нарезанием резьбы называется ее образование снятием стружки (а также пластическим деформированием) на наружных или внутренних поверхностях заготовок деталей.