Московский Государственный Технический Университет им. Н. Э. Баумана





Домашнее задание

по курсу

«Материаловедение»


Вариант Д14



Выполнил: Антюхов Е.В.

СМ 12 - 51

Проверил:














Москва, 2005

Задание:

  1. Ответственная шестерня изготовлена из стали марки 38Х2МЮА. Укажите режимы предварительной термической обработки и азотирования, обеспечивающие толщину слоя 0.45 – 0.50мм, твердость поверхности НV 950 – 1050, сердцевины – НВ 250-300. Постройте график термообработки, включающий термическую обработку и азотирование в координатах температура – время. Опишите процесс азотирования, указав его назначение, преимущества и недостатки.

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

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

1.Выбор режимов обработки, график обработки, описание процесса азотирования.

1)Выбор режима предварительной термической обработки и азотирования

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

Цель обработки: толщина слоя – 0.45 – 0.50мм,

Твердость поверхности – HB 950 – 1050,

Твердость сердцевины – НВ 250 – 300.

Проводим закалку при температуре 915 - 930С в масле. Затем высокий отпуск при температуре 640 - 680С, продолжительностью 1-8 ч, в зависимости от сечения шестерни . После проведения термообработки получаем твёрдость порядка 250 - 300 НB. Схема термообработки приведена на рисунке 1. Получив нужную НВ сердцевины, проводим азотирование при 520 – 540С, с выдержкой 40 – 90ч, что обеспечит требуемую толщину слоя.

2) График термообработки и азотировния


Рис. 1






3)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.

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.


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.











2. Описание структурного превращения происходящего при термической обработке и азотировании



Структурные превращения при нагреве до температуры закалки (915 - 930 С):

Равновесная структура доэвтектоидных сталей - феррит и перлит.

При промышленных скоростях нагрева при закалке перлит вплоть до температуры AС1 (800 оС) 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 темп. 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 оС 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 оС 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 оС):

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 оС):

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:


2)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. Именно поэтому берется сталь 38Х2МЮА.












3. Основные сведения о стали 38Х2МЮА

Общие сведения

Заменитель

сталь 38Х2ЮА, 38ХВФЮ, 20Х3МВФ, 38Х2Ю.

Вид поставки

Сортовой 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.

Область применения

Штоки клапанов паровых турбин, работающие 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 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  










 

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

Флокеночувствительность

чувствительна


Температуры критических точек


Критическая точка

°С

Ac1

800

Ac3

865



Твердость

Состояние поставки, режим термообработки

НВ

HV

Закалка 915-930С, масло или вода. Отпуск 640-680 С, воздух. Азотирование 520-540 С с печью до 100 С. 

 250-300

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 



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  

 

 



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.


4. Список литературы:



Случайные файлы

Файл
72653.rtf
1695.rtf
150641.rtf
163636.rtf
181211.rtf




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.