Заводу нужно изготовить зубчатые колеса сложной формы диаметром 50 мм и высотой 100 мм. Они должны иметь твердость на поверхности не ниже HRC 58…60, а в сердцевине предел прочности не ниже 40 кгс/мм2 и ударную вязкость не ниже 5…6 кгс*м/см2. Завод изготовил первую партию зубчатых колес из углеродистой цементуемой стали, однако некоторые зубчатые колеса получили деформацию при закалке. Выбрать сталь и рекомендовать режим термической обработки после цементации для получения заданных механических свойств и предупреждения брака по деформации. Указать структуру стали в сердцевине и поверхностном слое после окончательной обработки и причины, вызывающие деформацию при закалке​

Добрый день, уважаемый школьник!

Для изготовления зубчатых колес с заданными механическими свойствами (твердость на поверхности не ниже HRC 58...60, предел прочности не ниже 40 кгс/мм2 и ударная вязкость не ниже 5...6 кгс*м/см2) и предотвращения деформации при закалке, стоит выбрать углеродистую цементуемую сталь.

Углеродистая цементуемая сталь (или углеродистая сталь с цементацией) обладает высокой твердостью и прочностью, что позволяет ей соответствовать указанным требованиям. Цементация – это процесс насыщения поверхностного слоя стали углеродом путем нагревания в среде, богатой углеродом, и последующего закаливания, что способствует повышению твердости поверхности и увеличению прочности.

Рекомендуемый режим термической обработки включает следующие этапы:
1. Предварительный нагрев: сталь нагревается на определенную температуру перед цементацией (обычно примерно 700-850 °C). Этот этап позволяет достичь оптимального равновесия структуры стали и улучшить проникновение углерода в поверхностный слой.
2. Цементация: сталь помещается в среду, содержащую углерод, и подвергается нагреванию в течение определенного времени (обычно несколько часов или дней, в зависимости от размера и типа заготовки). В процессе цементации углерод проникает в поверхностный слой стали и насыщает его.
3. Окончательное нагревание: цементированная сталь дополнительно нагревается до температуры, необходимой для превращения структуры, полученной в результате цементации, в нужную фазу. Для данной задачи можно выбрать температуру окончательного нагрева около 870 °C.
4. Закалка: нагретая сталь быстро охлаждается путем погружения в воду или другую охлаждающую среду. Этот этап важен для формирования мартенситной структуры, обладающей высокой твердостью.
5. Выдержка: после закалки сталь подвергается выдержке на низкой температуре (обычно около 200 °C) в течение некоторого времени для снижения внутренних напряжений и повышения ударной вязкости.

После окончательной обработки структура стали в сердцевине будет представлять собой ферритно-перлитную структуру, а в поверхностном слое будет образован мартенсит. Ферритно-перлитная структура обладает достаточной прочностью, а мартенситная структура обеспечивает высокую твердость.

Деформация при закалке может быть вызвана различными причинами, одной из которых является неравномерное нагревание и охлаждение стали. Если сталь нагревается или охлаждается неравномерно, могут возникнуть внутренние напряжения, которые приводят к деформации. Кроме того, неправильный выбор режима термической обработки или недостаточная продолжительность выдержки на низкой температуре также могут вызывать брак по деформации.

Надеюсь, что эта подробная информация поможет вам понять, как выбрать сталь и определить режим термической обработки для изготовления зубчатых колес с заданными механическими свойствами. Если у вас возникнут еще вопросы, не стесняйтесь задавать их!