Стали относятся к мартенситному классу, слабо разупрочняются при нагреве до 300-400^оС. Из них изготавливают валы и роторы турбин, тяжело нагруженные детали редукторов и компрессоров.

2. Сегмент с пазом из стали 40ХН.

2.1. Характеристика стали 40ХН.

    Сталь 40ХН (Гост 4543-71) относится к качественным конструкционным  сталям (т.е предназначенным для изготовления машиностроительных и строительных изделий) легированным хромоникелевым стальным сплавам. Добавление никеля в состав стали повышает ее химическую устойчивость. Впервые это явление было открыто в конце девятнадцатого века. Французский химик Пруст высказал предположение, что железные метеориты слабо подвержены коррозии именно благодаря никелю в их составе. Через 20 лет Фарадей выплавил первый сплав железа и никеля, который обладал повышенной антикоррозийной устойчивостью. Но только после получения ковкого никеля появилась возможность создавать никелевые стальные сплавы, которые обладали в два раза большим пределом упругости, высокими антикоррозийными свойствами и большой механической прочностью. Дополнительную устойчивость к коррозирующим факторам сталь 40хн приобретает благодаря добавке хрома. Он также усиливает такие механические свойства стали 40хн, как твердость и прочность.

    Основная  область применения стали 40ХН – изготовление деталей, которые эксплуатируются в условиях повышенной динамической нагрузки, вибрации. Это такие детали, как оси, шатуны, валы, замки (ниппели и муфты) для нефтепроводов. Изготавливают из стали 40ХН также зубчатые колеса, шпиндели, болты, штоки гидроцилиндров, валки прокатных станов. В общем, этот сплав используется для деталей, материал которых должен обладать повышенной вязкостью, и прочностью. Максимальная толщина деталей из стали 40ХН не должна превышать 120мм. Аналоги стали 40ХН, разрешенные к применению в тех же целях: 40Х, 40ХНМ, 40ХНР, 30ХГВТ, 35ХГФ, 38ХГН, 45ХН, 50ХН.

    Сталь 40хн имеет в своем составе: от 0,36 до 0,44% углерода; 0,17 - 0,37% кремния; 0,5 - 0,8% марганца; от 1 до 1,4% никеля; максимум 0,035% серы и столько же фосфора; 0,45 - 0,75% хрома и до 0,3% меди. Содержание серы и фосфора (меньше 0,36%) позволяет причислять сталь 40ХН к качественным легированным сталям. Маркировка стали по ГОСТу 4543-71 обозначает содержание углерода, хрома и никеля, округленные до целого (один процент в маркировке не отражается).

    Сварочный процесс для легированных сталей несколько затруднен, поскольку  околошовная зона склонна к закалке  и в ней могут образовываться хрупкие структуры (сварка требует  специальной технологии). Сварочные работы можно производить при подогреве перед процессом и отпуском или отжигом сразу по окончании сварки.

    Термообработка  стали 40хн включает в себя закалку  и отпуск. После такой термической  обработки сталь 40ХН приобретает предел выносливости по трещинообразованию в 2 раза больший, нежели до обработки, а предел прочности по разрушению – в 6 раз.

    Закалка металла 40ХН обычно производится в масле; крупногабаритные детали в редких случаях подвергают закаливанию в воде с последующим немедленным низким отпуском или с переносом в масло. Часто детали из стали 40ХН закаливают при нагревании высокочастотными токами и последующим отпуском. В результате этой процедуры получают высокую поверхностную твердость (RC = 52 - 56).

2.2. Механическая обработка сегмента с пазом из стали 40ХН.

Токарная  обработка.

    Токарная  обработка является одной из разновидностей обработки металловрезанием. Она  осуществляется срезанием с поверхностей заготовки определенного слоя металла (припуска) резцами, сверлами и другими  режущими инструментами.

    Вращение  заготовки, посредством которого совершается процесс резания, называется главным движением, а поступательное перемещение инструмента, обеспечивающее непрерывность этого процесса - движением подачи. Благодаря определенному сочетанию этих движений на токарных станках можно обрабатывать цилиндрические, конические, фасонные, резьбовые и другие поверхности.

    При токарной обработке измерительные  инструменты применяются для  определения размеров, формы и  взаимного расположения отдельных  поверхностей деталей как в процессе их изготовления, так и после окончательной обработки. В единичном и мелкосерийном производстве используются универсальные измерительные инструменты - штангенциркули, микрометры, нутромеры и др., а в крупносерийном и массовом - предельные калибры.

    На  токарных станках выполняют обтачивание цилиндрических поверхностей, подрезание торцов, вытачивание наружных канавок, отрезание металла, сверление, рассверливание, зенкерование, развертывание, растачивание отверстий и внутренних канавок, центрование, обработку, поверхностей фасонными резцами, нарезку резьбы плашками, метчиками, резцами, резьбонакатными головками, обработку конических поверхностей.

    Основными инструментами при токарной обработке  являются резцы. В зависимости от характера обработки резцы бывают черновые и чистовые. Геометрические параметры режущей части этих резцов таковы, что они приспособлены к работе с большой и малой площадью сечения срезаемого слоя.

    Державки  резцов обычно изготавливают из конструкционных  сталей 40, 45, 50 и 40Х с различным  сечением: квадратным, прямоугольным, круглым и др. Резцы с механическим креплением твердосплавных пластин имеют значительные преимущества перед напайными резцами, так как при такой конструкции предотвращается возможность появления трещин в пластиках при напайке, удлиняется срок службы крепежной части резца.

    Универсальность металлорежущего станка расширяется  применением принадлежностей и  приспособлений. На токарном станке основными  из них являются: патроны, центры, люнеты. Применяются и вспомогательные приспособления: сверлильный патрон, переходные втулки, хомутики.

    Для сегмента с пазом из стали 40ХН проводится предварительная и чистовая токарная обработка обыкновенным твердосплавным резцом с припуском под шлифовку 0,5мм.

Фрезерная обработка.

    Фреза - многолезвийный режущий инструмент, как правило, в виде диска с зубьями по окружности, с вращательным движением, предназначенными для обработки поверхности.

    Фрезерная обработка - метод обработки металлов, при котором главным движением является вращение фрезы, а движением подачи является поступательное перемещение обрабатываемой заготовки в продольном, поперечном или вертикальном направлениях. 

    Фрезерование осуществляется режущим инструментом, называемым фрезой. Режущие зубья могут быть расположены как на цилиндрической поверхности, так и на торце. Каждый зуб фрезы представляет собой простейший инструмент - резец. Основные виды фрез: дисковые, цилиндрические, торцевые, шпоночные, угловые, концевые, прорезные (отрезные), фасонные. Конструктивно делятся на цельные, со сменными зубьями и сборные.

    На горизонтально-фрезерных станках ось вращения фрезы расположена горизонтально, а на вертикально-фрезерных - вертикально, но может поворачиваться на угол +/- 45° в вертикальной плоскости.

    Примеры работ, выполняемых на горизонтально-фрезерных станках: обработка прямоугольных и фасонных пазов дисковыми фрезами, обработка вертикальных поверхностей торцевыми фрезами. На вертикально-фрезерных станках выполняются такие работы, как обработка горизонтальных поверхностей торцевыми фрезами, обработка скосов и вертикальных поверхностей, обработка закрытых и открытых шпоночных пазов концевыми фрезами.

    Сегмент с пазом обрабатывается фрезой с учетом припуска под шлифовку 0,5мм.

Сверление.

    Наиболее  распространенным методом получения  отверстий в сплошном материале  является сверление. Движение резания при сверлении - вращательное, движение подачи - поступательное. Перед началом работы проверяют совпадение вершин переднего и заднего центров станка. Заготовку устанавливают в патрон и проверяют, чтобы ее биение (эксцентричность) относительно оси вращения не превышала припуска, снимаемого при наружном обтачивании. Проверяют биение торца заготовки, в котором будет обрабатываться отверстие, и выверяют заготовки по торцу.

    Перед началом сверления обрабатываемая заготовка приводится во вращение. Сверло плавно (без удара) подводят вручную (вращением маховика задней бабки) к торцу заготовки и производят сверление на небольшую глубину (надсверливают). Затем отводят инструмент, останавливают заготовку и проверяют точность расположения отверстия.

    Для того чтобы сверло не сместилось, предварительно производят центровку заготовки  коротким спиральным сверлом большого диаметра или специальным центровочным сверлом с углом при вершине 90 градусов.

    При сверлении отверстия, глубина которого больше его диаметра, сверло периодически выводят из обрабатываемого отверстия и очищают канавки сверла и отверстие заготовки от накопившейся стружки. Для уменьшения трения инструмента о стенки отверстия сверление производят с подводом смазочно - охлаждающей жидкости (СОЖ), особенно при обработке стальных и алюминиевых заготовок.

    В качестве СОЖ используются раствор  эмульсии (для конструкционных сталей), компаундированные масла (для легированных сталей), раствор эмульсии и керосин (для чугуна и алюминиевых сплавов).

    Для сверления отверстий применяют  спиральные сверла, которые изготовляют  из инструментальных сталей (углеродистой У12А и легированной 9ХС), из быстрорежущих  сталей (Р6М5 и др.), а также из твердых  сплавов (ВК6М, ВК8М и ВК10М).

    Для повышения эффективности работы спиральными сверлами используют такие способы, как подточка поперечной кромки, изменение угла при вершине, подточка ленточки, двойная заточка, предварительное рассверливание отверстий и др.

    Стандартные сверла имеют угол при вершине 118 градусов, однако для обработки более твердых материалов (и более глубоких отверстий) рекомендуется применять сверла с углом при вершине 135 градусов.

    Рассверливание позволяет получить более точные отверстия и уменьшить увод сверла от оси детали. При сверлении отверстий большого диаметра (свыше 25-30мм) усилие подачи может оказаться чрезмерно большим. Поэтому в таких случаях сверление производят в несколько приемов, т. е. отверстие рассверливают. Режимы резания при рассверливании отверстий те же, что и при сверлении.

Цементация.

    Цементация - процесс насыщения поверхностного слоя стали углеродом с целью повышения прочности, твёрдости и износостойкости поверхностного слоя.

    За  глубину цементованного слоя принимают  расстояние от поверхности до переходной зоны.

    Различают следующие виды цементации: цементация с применением твёрдого карбюризатора; газовая цементация с применением жидкого или газового карбюризатора.

    Наиболее  перспективным является газовая  цементация. По сравнению с цементацией  в  твёрдом  карбюризаторе  она  имеет  следующие  преимущества:

  - значительно сокращается длительность  процесса  благодаря  быстрому  нагреву детали; 

 - возрастает  пропускная  способность  оборудования,  что   ведёт   к повышению производительности труда;  улучшаются  условия  труда; 

  - появляется возможность автоматизации процесса.

    Газовая цементация может проводиться с  применением жидкого и  газового карбюризатора. В качестве жидкого карбюризатора,  как  правило,  применяется синтин, а в качестве газового - эндогаз.

    Для легированных сталей температура цементации применяется выше  точки Ас3, когда устойчив аустенит, способный  растворить  в  больших  количествах углерод.

    Сегмент с пазом из стали 40ХН проходит процесс  цементации h 0,9 … 1,3мм (на глубину до 3мм), т.к. закалка стали 40ХН производится при нагревании высокочастотными токами и последующим отпуском (RC = 52 - 56), но в результате закаливания нет гарантии, что получится нужная нам твердость RC=55 (т.е. верхний предел твердости по шкале Роквелла). 
 
 

Закаливание.

    Закаливание - термическая обработка, заключается в нагревании стали до температуры выше критической (800^оС), выдержке  и последующим охлаждением со скоростью, превышающей критическую и последующим охлаждением.