Ниже представлено решение задачи по материаловедению для варианта №17 (Первичный вал коробки передач) в форме, удобной для переписывания в тетрадь.
1. Таблица химического состава материалов
В таблице приведено содержание основных элементов в процентах (остальное — железо).
| Марка стали |
C (Углерод) |
Cr (Хром) |
Mn (Марганец) |
Ti (Титан) |
Mo (Молибден) |
Ni (Никель) |
| 19ХГН |
0,17 – 0,23 |
0,70 – 1,00 |
0,70 – 1,10 |
— |
— |
0,80 – 1,20 |
| 25ХГМ |
0,22 – 0,29 |
0,90 – 1,20 |
0,90 – 1,20 |
— |
0,15 – 0,25 |
— |
| 15ХГН2ТА |
0,13 – 0,18 |
0,70 – 1,00 |
0,70 – 1,00 |
0,03 – 0,09 |
— |
1,60 – 2,00 |
2. Вид материала и способы упрочнения
Все указанные стали относятся к классу легированных конструкционных цементуемых сталей.
Основной способ упрочнения для первичного вала — химико-термическая обработка (цементация) с последующей закалкой и низким отпуском. Это позволяет получить высокую твердость поверхности при сохранении вязкой сердцевины.
3. Режим термической обработки
Для достижения заданной твердости \(HRC \ 56-62\) назначается следующий режим:
1. Предварительная обработка: Нормализация при \(T \approx 870-900 \ ^\circ C\) для улучшения обрабатываемости резанием.
2. Упрочняющая обработка:
- Цементация при \(T = 920-950 \ ^\circ C\) (насыщение поверхности углеродом до \(0,8-1,0\%\)).
- Закалка (часто двойная или с подстуживанием) от \(T \approx 820-850 \ ^\circ C\) в масло.
- Низкий отпуск при \(T = 180-200 \ ^\circ C\).
4. График упрочняющей термообработки
Поскольку я не могу рисовать картинки, опишу график для тетради:
Ось Y: \(T, \ ^\circ C\). Ось X: \(\tau, \ мин\).
1. Линия идет вверх до \(930 \ ^\circ C\), горизонтальная полка (цементация).
2. Снижение до \(830 \ ^\circ C\), выдержка (подстуживание).
3. Резкое падение вниз до \(60 \ ^\circ C\) (закалка в масло). Структурное превращение: Аустенит \(\rightarrow\) Мартенсит.
4. Небольшой подъем до \(200 \ ^\circ C\), полка (отпуск). Структурное превращение: Мартенсит закалки \(\rightarrow\) Мартенсит отпуска.
5. Основные свойства материалов
| Состояние |
\(\sigma_B\), МПа |
\(\sigma_T\), МПа |
\(\delta\), % |
KCV, Дж/см\(^2\) |
Твердость HRC (пов-сть) |
| До ТО (отжиг) |
\(\approx 500-600\) |
\(\approx 350\) |
\(\approx 18\) |
\(\approx 60\) |
\(HB \ 170-200\) |
| После ТО (19ХГН) |
\(\ge 1000\) |
\(\ge 800\) |
\(\ge 9\) |
\(\ge 70\) |
\(56-62\) |
6. Технологические свойства
| Марка |
Обрабатываемость резанием |
Свариваемость |
Прокаливаемость |
| 19ХГН |
Хорошая |
Ограниченная |
Высокая |
| 25ХГМ |
Хорошая |
Ограниченная |
Высокая (за счет Mo) |
| 15ХГН2ТА |
Удовлетворительная |
Ограниченная |
Очень высокая (за счет Ni) |
7. Анализ влияния состава и ТО
Отечественное автомобилестроение (LADA, ЗИЛ, КамАЗ) традиционно использует высококачественные легированные стали для обеспечения надежности трансмиссии.
- Углерод (\(C\)) обеспечивает твердость мартенсита после закалки.
- Хром (\(Cr\)) и Марганец (\(Mn\)) повышают прокаливаемость детали по всему сечению.
- Никель (\(Ni\)) в сталях типа 15ХГН2ТА значительно повышает ударную вязкость и хладостойкость, что критично для тяжелых грузовиков КамАЗ, работающих в суровых условиях России.
- Титан (\(Ti\)) измельчает зерно, предотвращая перегрев при длительной цементации.
Комплексное использование легирования и цементации позволяет российским инженерам создавать детали, способные выдерживать колоссальные крутящие моменты в коробках передач.
