Титульник Задание МД - 5 (а – д). Пользуясь «Марочником сталей и сплавов», выбрать марку стали для изготовления рожкового гаечного ключа для комплекта слесарных инструментов, применяемых в условиях севера (рис.1.5). Производство комплектов слесарных инструментов мелкосерийное. При выборе стали использовать данные согласно выданному варианту домашнего задания (табл.1.5): основные размеры гаечного ключа, предел текучести сердцевины 𝜎0,2 (не менее), ударная вязкость KCU (не менее). Обосновать сделанный выбор стали, рекомендовать упрочняющую обработку гаечного ключа, которая обеспечит его работоспособность в предлагаемых условиях. Рожковый гаечный ключ – это мелкосерийный (в данных условиях) ручной инструмент, предназначенный для соединения/рассоединения резьбового соединения путём закручивания/раскручивания болтов, гаек и других деталей. Ключ имеет цельнометаллическую конструкцию, рабочий элемент захватывает две параллельные грани гайки или болта. Имеет U-образную форму. Рабочая область ключа повёрнута под углом 15° к продольной оси инструмента, что обеспечивает больший рабочий диапазон в труднодоступных местах. В нашем случае рожковый гаечный ключ двусторонний. Характер напряженного состояния металла в изделии: статическое. Уровень силового воздействия: кратковременное силовое воздействие. Проблемные зоны изделия: Зона соприкосновения головки инструмента с крепежными элементами. За счет малого контакта, увеличивается давление на углы, которые начинают сминаться и деформироваться. Характер производства: мелкосерийное. Так как гаечный ключ – ручной инструмент, то при его эксплуатации уровень рабочих нагрузок на изделие не может превышать развиваемого человеком усилия, которое обычно сопоставимо с его массой (~100 кг). Имеет разную толщину в зоне рукоятки и головки (концентраторы напряжения). Также в зоне головки инструмент должен иметь высокую твердость. В данном случае материал будет иметь высокое значение предела текучести σ0,2 >1090 Мпа и ударную вязкость KPU>60 Дж/ см2, т.е. способность металла противостоять ударным нагрузкам. Из условия слесарский комплект инструментов применяется в условиях севера, поэтому материал должен сохранять свои свойства при низких температурах. В этой связи сталь должна иметь высокое значение предела текучести для сопротивления пластической деформации, высокую ударную вязкость для сопротивления хрупкому типу разрушения и возможным ударным нагрузкам, а также способность сохранять свои свойства при низких температурах. Наилучшее сочетание достаточного упрочнения и вязкости стали обеспечивает выполнение закалки с последующим низким отпуском (образуется структура мартенсита с некоторым количеством остаточного аустенита). По назначению были рассмотрены инструментальные стали с концентрацией углерода более 0,7 %, для которых характерны такие особенности, как: высокая вязкость, прочность, а также относительно высокая твёрдость. Используя «Марочник сталей и сплавов» и исходя из требований, для изготовления гаечного ключа была выбрана инструментальная сталь 40ХФА. Её химический состав приведен в таблице 2. Химический состав стали 40ХФА, % (ГОСТ 1435 – 74) V C Mn Si S P Таблица 2. Cr Ni Cu 0,30 0,30 Не более 0,10-0,18 0,37 - 0,44 0,50 - 0,80 0,17 - 0,37 0,025 0,025 0,8-1,1 Зная химический состав стали, мы можем приступить к разработке режима её упрочняющей термической обработки. Температуру термообработки следует выбирать исходя из температур критических точек Эти сведения представлены в «Марочнике стали и сплавов» и приведены в таблице 3. Таблица 3 Ac1 Ac3 (Асm) Ar1 Mн 760 800 725 218 . Так как сталь 40ХФА относится к группе доэвтектоидных сталей, то ее должны подвергать полной закалке, при этом оптимальной температурой нагрева является температура Ас3 + (30 … 50 °С). Такая температура обеспечивает получение при нагреве мелкозернистого аустенита и, соответственно, после охлаждения – мелкокристаллического мартенсита. Таким образом, получим расчётную оптимальную температуру закалки 830…850°С. Охлаждение следует проводить в воде. Из-за низкой прокаливаемости углеродные стали применяют для инструментов с поперечным сечением до 25 мм (по условию задачи а = 6 мм) с незакаленной серединой. Несквозная закалка уменьшает деформацию инструментов и повышает благодаря вязкой сердцевине их устойчивость к ударам и вибрациям. После закалки стальная деталь из-за быстрого охлаждения имеет большое количество остаточных или закалочных напряжений. Для уменьшения остаточных напряжений и повышения пластичности и прочности проводят отпуск. В таблице 4 приведены механические свойства стали 40ХФА для различной температуры отпуска. Механические свойства стали 40ХФА в зависимости от температуры отпуска. Таблица 4. Температура отпуска, °С σ0,2 σВ δв ψ KCU, Дж/см2 МПа HRCЭ % Закалка 850 °С, масло. Охлаждение после отпуска с 500 °С в воде. 200 300 400 500 600 1490 1450 1270 1100 880 1860 1650 1360 1160 960 14 15 14 15 19 43 50 52 55 63 49 30 39 61 98 51 49 46 42 34 Для условий задачи (𝜎0,2 ≥1090 МПа, KCU ≥60 Дж/см2) оптимальная температура отпуска будет 500°С. Таким образом, после термической обработки сталь будет иметь следующие характеристики: σ0,2 = 1370 МПа, σВ = 1590 МПа, δв =15 %, ψ = 55 %, KCU = 61 Дж/см2, HRCЭ = 42 Структурная схема упрочняющей термической обработки.
