Московский ордена Ленина, ордена Октябрьской Революции и ордена Трудового Красного Знамени государственный технический университет им. Н. Э. Баумана




Домашнее задание

по курсу

«Материаловедение»

Вариант Д15






Выполнил: Беляев А.В., Э4-42

Проверил:_________________







Москва, 2006

Задание

Для деталей, подвергающихся выбрационным и динамическим нагрузкам и работающих в условиях износа, используют улучшаемые легированные стали после азотирования.


  1. Выберете сталь для тяжело нагруженного коленчатого вала диаметра 40мм. Укажите режимы предварительной термической обработки и азотирования, обеспечивающие толщину слоя 0.35 – 0.40 мм, твердость поверхности HV 900-1020, сердцевины – HB 240-280. Постройте график термообработки, включающий термическую обработку и азотирование в координатах температура-время. Опишите процесс азотирования, указав его значение, преимущества и недостатки.

  2. Опишите структурные превращения, происходящие в поверхностном слое и сердцевине детали на всех стадиях термической обработки.

  3. Привидите основные сведения об этой стали: химический состав по ГОСТу, область применения, требования, предъявляемые к этому виду изделия, механические свойства после выбранного режима термической обработки, технологические свойства, влияние легирующих элементов, достоинства и недостатки и др.



































Выбор стали и режима предварительной термической обработки и азотирования.

Выбор стали

Валы – детали, предназнченые для передачи крутящего момента вдоль оси и для поддержания вращающихся деталей машин. Выбор материала и термической обработки валов определяется критериями их работоспособности. Основными материалами для служат углеродистые и легированые стали благодаря высоким механическим характеристикам, способности к упрочнению и легкости получения цилиндрических заготовок прокаткой. Для деталей, подвергающихся выбрационным и динамическим нагрузкам и работающих в условиях износа, используют улучшаемые легированные стали после азотирования, так как они имеют повышенную циклическую прочность.


Азотированию подвергают легированые стали 38Х2МЮА, 40Х, 40ХН2МА, 18Х2Н4МА и другие и другие, для упрочнения сердцевины которых проводят термическое улучшение.


В случае тяжело нагруженного коленчатого вала подойдет сталь 38Х2МЮА.

Выбор режима предварительной термической обработки и азотирования

Используя «Марочник сталей», зададим режим предварительной термической обработки. Так как нам необходимо получить вал диаметром 40мм, то диаметр заготовки возьмем 50мм. В соответствии с этим, нужный режим будет выглядеть следующим образом.


Проводим закалку при температуре 940ºС через воду в масло, затем отпуск при температуре 600ºС, продолжительностью 1-8 ч. После этого проводим азотирование при 520ºС в течение 40-90ч. Схема термообработки приведена на рис.1


Рис.1


После указанной схемы термической обработки получаем твердость сердцевины HB = 269-300 и твердость поверхности HV = 850-1050

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 500-600ºС в муфелях или контейнерах, через которые пропускается диссоциирующий аммиак.


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 + 3H2

который не может диффундировать в сталь без ионизации.


По сравнение с цементированием 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.


Преимущества:

  1. по сравнению с цементованными азотированные слои легированных сталей имеют более высокие твердость и износостойкость.

  2. минимальные деформации и коробление.

  3. сохранение высокой степени прочности.


Недостатки:

Однако азоти­рование используют реже, чем цементацию, из-за

  1. большей длительности процесса

  2. меньшей толщины упрочненного слоя, что ограничивает кон­тактные нагрузки на поверхность детали.



Описание структурного превращения происходящего при термической обработке и азотировании.

Структурные превращения при нагреве до температуры закалки.

Равновесная структура доэвтектоидных сталей - феррит и перлит.


При промышленных скоростях нагрева при закалке перлит вплоть до температуры AС1 (800ºС) сохраняет пластинчатое строение. При достижении температуры AС1 в стали начинается превращение перлита в аустенит. Зерна аустенита зарождаются на поверхностях раздела феррита и цементита (рис.2). Превращение состоит из двух параллельно идущих процессов: полиморфного превращения Fea-> Feg и растворения углерода цементита в Feg.

Рис.2. Схема зарождения и роста кристаллов при температуре AС1


В каждой перлитной колонии зарождается несколько центров образования зерен аустенита, поэтому превращение при температуре AС1 сопровождается измельчением зерна стали.


После перехода перлита в аустенит в структуре сохраняется избыточное структурное составляющее – феррит. Далее, при нагреве от AС1 до AС3 происходит превращение избыточного феррита в аустенит. Процесс сопровождается диффузией углерода, приводящей к выравниванию его концентраций.

Входящие в состав стали 38Х2МЮА легирующие элементы могут образовывать карбиды, поэтому нежелательный рост зерен аустенита при дальнейшем увеличении температуры происходит с небольшой скоростью ( так как частицы карбидов располагаются по границам зерен, что препятствуют процессу собирательной рекристаллизации).


Превращения при охлаждении с температуры закалки.

При непрерывном охлаждении в интервале температур от Мн до Мк со скоростью n>nкр происходит бездиффузионное превращение аустенита в мартенсит. Быстрое охлаждение необходимо для подавления диффузионных процессов образования перлита и бейнита. Мартенсит представляет собой неравновесную структуру – пересыщенный твердый раствор внедрения углерода в Fea. Кристаллы мартенсита имеют пластинчатую форму и растут с огромной скоростью, равной скорости звука в стали (~5000 м/с). Их росту препятствует граница зерна аустенита или ранее образовавшаяся пластина мартенсита (рис.3).

Рис.3. Схема образования мартенситных пластин в одном аустенитном зерне.


Сталь 38Х2МЮА содержит легирующие элементы. Большинство таких компонентов понижают температуры Мн и Мк, поэтому в закаленных легированных сталях после охлаждения до 20-25 ºС может сохраниться некоторое количество остаточного аустенита.


Образовавшийся в результате закалки мартенсит приводит к повышению твердости, прочности, но также и к возникновению остаточных напряжений. Именно вследствие этого требуется проведение отпуска.

Превращения при нагреве во время проведения отпуска.

В интервале температур 80-200 ºС происходит первое превращение, которое приводит к формированию структуры мартенсита отпуска. Из мартенсита выделяется часть углерода в виде метастабильного ε-кaрбида. При этом обеднение твердого раствора углеродом происходит неравномерно.


Второе превращение (200-300 ºС):

  1. Распад остаточного аустенита в отпущенный мартенсит;

  2. Распад отпущенного мартенсита распространяется на весь объем, начинается превращение ε-карбида - цементит и его обособление, разрыв когерентности.


Третье превращение (300-500 ºС):

конец распада отпущенного мартенсита и процесс карбидообразования.

Итак, после полной закалки в масле и высокого отпуска в стали образуется структура сорбита отпуска.

Превращения в процессе азотирования.

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.






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.