Готовые ДЗ варианты Остальные (сталь 38Х2МЮА)

Посмотреть архив целиком

Содержание

  1. Задание

  2. Отчёт

1) Выбор режима предварительной термической обработки и азотирования

2) Описание процесса азотирования, назначения процесса азотирования, преимущества и недостатки

3) Описание структурного превращения происходящего при термической обработке и азотировании

4) Графики термообработки, влияние легирующих элементов на свойства стали

  1. Основные сведения о стали 38Х2МЮА

  2. Список литературы

Задание:

  1. Ответственная шестерня изготовлена из стали марки 38Х2МЮА. Укажите режим предварительной термической обработки и азотирования. Опишите процесс азотирования, укажите его назначение, преимущества и недостатки.

  2. Опишите структурные превращения, процесс при термической обработке и азотировании, постройте график термообработки, для этой стали в координатах температура-время. Укажите влияние легирующих элементов на свойства стали.

  3. Приведите основные сведения об этой стали: ГОСТ, химический состав, механические свойства, применение, преимущества, недостатки и др.

    1. Выбор режима предварительной термической обработки и азотирования

Воспользовавшись «Марочником сталей»2 зададимся предварительным режимом термической обработки данной стали (38Х2МЮА). Режим выглядит следующим образом.

Проводим закалку при температуре 850-900 С в масле. Затем отпуск при температуре 600С . После проведения термообработки получаем твёрдость порядка 310 НB. Схема термообработки приведена на рисунке 1.

Рис. 1

Составы основных насыщающих сред и режимы
химико-термической обработки при азотировании

Состав насыщающей среды

Режим азотирования

Глубина слоя, (мм)

Т, °С

τ, ч

Азотирование изотермическое

1

Аммиак NH3 давление, Па: 192,4–721,5 степень диссоциации,
20–40 %

500–520

6–90

0,1–0,8

30–55

560–580

1–10

0,15–0,4

2

20  % NH3 + 80  % N2 (или N2 + H2)*1

500–520

6–90

0,1–0,8

Азотирование двухступенчатое

3

20  % NH3 степень диссоциации

20–40 %

500–520

15–20

0,5–0,8

40–45

540–560

25–40

0,5–0,8

Азотирование с добавками углеродсодержащих газов

4

Аммиак NH3 + 50 % эндогаза (40 % H2 + 20 % СО + 40 % N2)*2

570

0,5–3,0

 

5

Аммиак NH3 + 50 % эндо-экзогаза (20 % H2 + 20 % СО + 60 % N2)

 

6

Аммиак NH3 + 50 % экзогаз (10 % СО + 90 % N2) в отношении 1 к 2

 

7

58,6 % N2 + 17,9 % H2 + 14,3 % NH3 + 3,5 % СО + 2,2 % СО2 + 3,5 % Н2О

 

8

Аммиак NH3 + 50 % С2Н8 (пропана)*3

570

2–10

 

9

Продукты пиролиза керосина, спирта (50 %) + Аммиак NH3 (50 %)

570

1–6

 

Азотирование антикоррозийное *4

10

Аммиак NH3 давление, Па: 192,4–721,5, степень диссоциации, %: 40–60

600–700

0,25–10

0,02–0,08


*1 Процесс кратковременного азотирования при 570 °С — вместо жидкого азотирования. Разбавление аммиака азотом уменьшает хрупкость слоя.

*2 Применение эндогаза при температурах ниже 700 °С — взрывоопасно. Требуется принятие специальных защитных мер.

*3 Степень диссоциации аммиака — 30–60 %.

*4 Антикоррозийному азотированию подвергают изделия, изготовленные из углеродистых сталей, работающих в условиях атмосферной коррозии.

Процесс азотирования — весьма длительная операция. Так, при обычном азотировании стали 18Х2Н4ВА диффузионную зону толщиной около 0,35-0,4мм получают при 490–510°С, за 40–50 ч. Получаемая после азотирования твёрдость составляет порядка 750-850 НВ

По сравнению с цементованными азотированные слои легированных сталей имеют более высокие твердость и износостойкость. Однако азоти­рование используют реже, чем цементацию, из-за большей длительности процесса и меньшей толщины упрочненного слоя, что ограничивает кон­тактные нагрузки на поверхность детали.



    1. Описание процесса азотирования, назначения процесса азотирования, преимущества и недостатки


Азотированием называют процесс диффузионного насыщения азотом поверхностной зоны деталей. Азотирование применяют для повышения износостойкости и предела выносливости деталей машин (коленчатые ва­лы, гильзы цилиндров, червяки, валики, шестерни и др.)

До азотирования детали подвергают закалке, высокому отпуску (улучшению) и чистовой обработке. После азотирования детали шлифуют или полируют.

Обычное азотирование проводят при температуре 500 - 600 °С в му­фелях или контейнерах, через которые пропускается диссоциирующий аммиак, так же возможно проведения азотирования в тлеющем разряде.

Вероятно, что на стальной поверхности происходит реакция диссоци­ации аммиака с выделением ионов азота, которые адсорбируются поверх­ностью детали, а затем диффундируют вглубь.

При нагреве аммиака в изолированном объеме возможна лишь реак­ция с образованием молекулярного азота

2NH3 --> N2 + ЗН2

который не может диффундировать в сталь без ионизации.


3 Описание структурного превращения происходящего при термической обработке и азотировании


Формирование структуры азотированной зоны в углеродистых ста­лях происходит примерно так же, как при азотировании железа. Поэто­му, пользуясь диаграммой состояния Fe - N, можно предска­зать структуру азотированной зоны низкоуглеродистых сталей. По мере

насыщения железа азотом при температуре ниже 590 °С снача­ла образуется α-твердый раствор внедрения азота в железо, затем слой γ-Фазы с ГЦК решеткой и упорядоченным расположением атомов азота в центрах элементарных ячеек. Обычно процесс азотирования завершается образованием на поверхности слоя ε-фазы с ГП решеткой и упорядо­ченным расположением атомов в широком интервале концентраций азота.

При медленном охлаждении после азотирования вследствие пе­ременной растворимости азота в α- и ε- фазах про­исходит выделение вторичной γ||-фазы, и структура азотированной зоны от поверхности к сердцевине становится следующей:

ε + γ`||→ γ`→ α + γ`||→ α

При азотировании углеродистых сталей с увеличением содержания углерода уменьшается скорость диффузии азота и возможно образования карбонитридных фаз.

Азотированная сталь, имеющая на поверхности слой ε-фазы, коррозионностойка в воде и в атмосферных условиях. В системе Fe-N ε- и γ`-фазы имеют сравнительно невысокую твердость— соответственно 450 HV и 550 HV. Значительно большая твердость достигается при азотировании специально легированных сталей, которые содержат более активные нитридообразующие элементы: Сr, Mo, Al, V, Ti.

При азотировании структуры диффузионной зоны легированных и углеродистых сталей аналогичны. Однако легирование изменяет состав фаз и температурные границы их образования; при изотермической выдержке в процессе азотирования могут образовываться двухфазные слои в диффузионной зоне.

4) Графики термообработки, влияние легирующих элементов на свойства стали

Высокие твердость и износостойкость получаются после азотирования легированной стали 38Х2МЮА

Влияние некоторых основных легирующих элементов на свойства сталей.

1. Никель. Никель образует твердые растворы внутри легированных сталей, повышается прочность стали, ее устойчивость к высоким температурам (никель – сильный аустенизатор).

2. Вольфрам и молибден. Вольфрам повышает твердость и прочность стали. Сильно карбидообразующий элемент. Основная цель введения- уменьшение склонности к отпускной хрупкости второго рода , улучшение свойств комплекснолегированных сталей в результате измельчения зерна, повышение стойкости к отпуску, увеличение прокаливаемости.

3. Марганец. Марганец способствует повышению твердости и прочности, обеспечивает высокую вязкость сталей но он делает структуру стали чувствительной к перегреву, поэтому для измельчения зерна вместе с марганцем вводят карбидообразующие элементы.

4. Кремний. Кремний – ферритизатор – повышает устойчивость феррита при высоких температурах.

5. Хром. Хром – растворяясь в феррите и цементите оказывает благоприятное влияние на механические свойства.


Основные сведения о стали 38Х2МЮА

Общие сведения

Заменитель

сталь 38Х2ЮА, 38ХВФЮ, 20Х3МВФ, 38Х2Ю.

Вид поставки

Сотовой прокат, в том числе фасонный: ГОСТ 4543-71, ГОСТ 2590-71, ГОСТ 2591-71, ГОСТ 2879-69. Калиброванный пруток ГОСТ 7417-75, ГОСТ 8559-75, ГОСТ 8560-78, ГОСТ 1051-73. Шлифованный пруток и серебрянка ГОСТ 14955-77. Полоса ГОСТ 103-76. Поковки и кованые заготовки ГОСТ 1133-71.

Назначение

Штоки клапанов паровых турбин, работющие при температуре до 450 °С, гильзы цилиндров двигателей внутреннего сгорания, иглы форсунок, тарелки букс, распылители, пальцы, плунжеры, распределительные валики, шестерни, валы, втулки и другие детали.



Химический состав

Химический элемент

%

Аллюминий (Al)

0.70-1.10

Кремний (Si)

0.20-0.45

Марганец (Mn)

0.30-0.60

Медь (Cu), не более

0.30

Молибден (Mo)

0.15-0.25

Никель (Ni), не более

0.30

Сера (S), не более

0.025

Углерод (C)

0.35-0.42

Фосфор (P), не более

0.025

Хром (Cr)

1.35-1.65



Механические свойства

Механические свойства

Сечение, мм

0,2, МПа

B, МПа

5, %

, %

KCU, Дж/м2

HB


Пруток. Закалка 940 °С, вода или масло. Отпуск 640 °С, вода или масло.

30  

835  

980  

14  

50  

88  

 









Поковки. Закалка. Отпуск.

100-300  

590  

735  

13  

40  

49  

235-277  









Закалка 930-950 °С, масло или вода. Отпуск 640-680 °С, воздух.

60  

880  

1030  

18  

52  

 

250-300  









100  

730  

880  

10  

45  

59  

 









200  

590  

780  

10  

45  

59  

 









Закалка 950 °С, масло. Отпуск 550 °С, масло.

120  

780-880  

930-1030  

12-15  

35-45  

69-98  

285-302  









 

Механические свойства при повышенных температурах      

t испытания, °C

0,2, МПа

B, МПа

5, %

, %

KCU, Дж/м2


Пруток. Закалка 930-940 °С,масло. Отпуск 660 °С, 5 часов отпуска. НВ>=255 [77]

20  

650  

800  

17  

64  

157  










200  

580  

780  

17  

56  

152  










300  

570  

810  

18  

58  

127  










400  

550  

720  

20  

63  

127  










500  

420  

470  

25  

81  

98  










600  

270  

300  

26  

89  

98  










Образец диаметром 10 мм, длиной 50 мм, прокатанный и отожженный. Скорость деформирования 20 мм/мин. Скорость деформации 0,007 1/с.

800  

98  

110  

66  

95  

 










900  

66  

84  

57  

97  

 










1000  

39  

49  

66  

98  

 










1100  

22  

32  

77  

100  

 










1200  

15  

22  

77  

100  

 










 

Механические свойства в зависимости от температуры отпуска      

t отпуска, °С

0,2, МПа

B, МПа

5, %

, %

KCU, Дж/м2

HB


Закалка 900 °С, масло.

300  

1660  

1810  

8  

43  

39  

550  









400  

1520  

1670  

10  

39  

10  

500  









500  

1270  

1420  

10  

44  

29  

450  









600  

1080  

1180  

12  

60  

78  

370  









 

Механические свойства в зависимости от сечения      

Термообработка, состояние поставки

Сечение, мм

0,2, МПа

B, МПа

5, %

, %

KCU, Дж/м2

HB


Закалка 930-950 °С, масло или вода. Отпуск 640-680 °С, воздух. [81]

 

60  

880  

1030  

18  

52  

 

250-300  








 

100  

730  

880  

10  

45  

59  

 








 

200  

590  

780  

10  

45  

59  

 








Закалка 940 °С, масло. Отпуск 600 °С. [130]

Место вырезки образца - центр 

30  

780  

910  

17  

52  

115  

 








Закалка 940 °С, через воду в масло. Отпуск 600 °С. [130]

Место вырезки образца - центр 

50  

830  

950  

16  

50  

102  

 








Место вырезки образца - центр 

80  

830  

940  

15  

50  

48  

 








Место вырезки образца - центр 

140  

780  

920  

15  

48  

41  

 








Место вырезки образца - центр 

180  

710  

860  

15  

47  

36  

 








Место вырезки образца - край 

180  

780  

930  

14  

48  

39  

 








Место вырезки образца - центр 

220  

730  

880  

15  

43  

35  

 








Место вырезки образца - край 

220  

800  

930  

16  

43  

34  

 








 

Механические свойства при 20 С      

Термообработка, состояние поставки

0,2, МПа

B, МПа

5, %

, %

KCU, Дж/м2


Закалка 930-940 °С, масло. Отпуск 660 °С.

Тепловая выдержка 500 °С 5000 ч. 

640  

800  

20  

60  

152  










Тепловая выдержка 550 °С 5000 ч. 

550  

710  

23  

63  

171  










 







Механические свойства при испытании на длительную прочность      

Предел ползучести, МПа

Скорость ползучести, %/ч

t испытания, °С

Предел длительной прочности, МПа

Длит. испытания, ч

t испытания, ч

196  

1/100000  

450  

 

 

 

82  

1/100000  

500  

 

 

 

14  

1/100000  

550  

 

 

 

Технологические свойства

Температура ковки

Начала 1240, конца 800. Сечения до 50 мм охлаждаются в штабелях на воздухе, 51-100 мм - в ящиках.

Свариваемость

не применяется для сварных конструкций.

Обрабатываемость резанием

В закаленном и отпущенном состоянии при НВ 240-277 B = 780 МПа K тв.спл. = 0.75, K б.ст. = 0.55.

Склонность к отпускной способности

не склонна [82]

Флокеночувствительность

чувствительна


Температура критических точек


Критическая точка

°С

Ac1

800

Ac3

865

Ar3

740

Ar1

665

Mn

330

Твердость

Состояние поставки, режим термообработки

НВ

HV

Закалка 930-950 С, масло или вода. Отпуск 640-680 С, воздух. Азотирование 520-540 С с печью до 100 С. 

 269-300

850-1050

Предел выносливости

-1, МПа

n

B, МПа

0,2, МПа

Термообработка, состояние стали

 392-480

 1Е+7

 810

 650

Закалка 940 С, масло. Отпуск 660 С, 5 ч, воздух. НВ 255 

 608-617

 

 

 

Закалка 940 С, масло. Азотирование 500 С, 48 ч [81] 


Прокаливаемость

Закалка 870 °С.

Расстояние от торца, мм / HRCэ

 1.3

 3

 6

 9

 12

 18

 24

 30

 36

 42



 52.0

 52.0

 51.5

 49.5

 48.5

 45.5

 44.0

 43.5

 43.5

 42.5



 

Крит.диам. в воде, мм

Крит.диам. в масле, мм

70  

45  





Физические свойства

Температура испытания, °С

20  

100  

200  

300  

400  

500  

600  

700  

800  

900  

Модуль нормальной упругости, Е, ГПа

209  

202  

194  

190  

181  

174  

162  

147  

137  

 

Модуль упругости при сдвиге кручением G, ГПа

82  

79  

76  

75  

71  

67  

62  

57  

53  

 

Коэффициент теплопроводности Вт/(м ·°С)

33  

33  

32  

31  

20  

20  

28  

27  

27  

 

Температура испытания, °С

20- 100  

20- 200  

20- 300  

20- 400  

20- 500  

20- 600  

20- 700  

20- 800  

20- 900  

20- 1000  

Коэффициент линейного расширения (a, 10-6 1/°С)

11.5  

11.8  

12.7  

13.4  

13.9  

14.7  

14.9  

12.3  

 

 

Удельная теплоемкость (С, Дж/(кг · °С))

496  

517  

533  

546  

575  

609  

638  

676  

 

 


Список литературы:







Чтобы не видеть здесь видео-рекламу достаточно стать зарегистрированным пользователем.
Чтобы не видеть никакую рекламу на сайте, нужно стать VIP-пользователем.
Это можно сделать совершенно бесплатно. Читайте подробности тут.