Страница 10 из 10



МГТУ имени Н. Э. Баумана


















Домашнее задание по курсу «Материаловедения»



Вариант Д-15














Выполнил студент

группы Э1-42 Быков Н. И.

Преподаватель: Ампилогов А. Ю.















2009

Условие задания:


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


  1. Выберите сталь для тяжело нагруженного коленчатого вала диаметром 40 мм. Укажите режимы предварительной термической обработки и азотирования, обеспечивающие толщину слоя 0,35 – 0,40 мм, твёрдость 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 назначение, преимущества и недостатки.


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


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




































1. Выбор стали, выбор режимов обработки,

график обработки, описание процесса азотирования



Для деталей, подвергающихся вибрационным и динамическим нагрузкам и работающих в условиях износа, в том числе для тяжело нагруженных коленчатых валов в основном применяют стали марок: 18ХНВА, 38Х2МЮА, 40ХН, 40ХН2МА (или 40ХНМА). Сталь 18ХНВА, как и 40ХН2МА обеспечит после термообработки твёрдость сердцевины, превышающую заданную, (порядка 300–330 HB при необходимой 240–280 HB). Сталь 40ХН отвечает требованиям условия задания, но всё же уступает стали 38Х2МЮА по получаемой твёрдости поверхностного слоя и сердцевины для данного случая. Сталь 38Х2МЮА имеет наибольшее из этих сталей относительное удлинение после разрыва (после азотирования δ=18%), придавая тем самым наибольшую пластичность детали. К тому же, сталь 38Х2МЮА проще остальных сталей подвергается азотированию после улучшения.

Улучшаемыми конструкционными сталями называют среднеуглеродистые стали, содержащие 0,30,5 % углерода и легирующие элементы обычно в количестве не более 5 %, которые используют после операции так называемого «улучшения», состоящей из закалки и высокого отпуска. Закалку таких сталей обычно прово­дят в масле. Температура отпуска составляет 550650 °С. После термообработки улучшаемые стали имеют структуру, хорошо воспринимающую ударные нагрузки. Улучшаемые стали имеют высокую прочность, вязкость, ма­лую чувствительность к концентраторам напряжений и хорошую прокаливаемость. Обычное содержание кремния в улучшаемых сталях составляет 0,170,37%, марганца 0,50,8 %, и менее 0,035% фосфора и серы.

1.1 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 – 0.35–0.40 мм,

Твердость поверхности – 900–1020 HV,

Твердость сердцевины – 240–280 HB.


Проводим закалку при температуре 930–950°С в масле. Затем высокий отпуск при температуре 640–680°С, продолжительностью 1–2 ч. После проведения термообработки получаем твёрдость порядка 250–300 НB. Схема термообработки приведена на рисунке 1. Получив нужную НВ сердцевины, проводим азотирование при 520–540°С, с выдержкой 40–60ч, что обеспечит требуемую толщину слоя.




Рис.1. График термообработки и азотировния.



1.2 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

2NH3N2 + 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 (915930 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 FeaFeg 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 2025 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 80200 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 (200300 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 (300600 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:


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)

0.701.10

Кремний (Si)

0.200.45

Марганец (Mn)

0.300.60

Медь (Cu), не более

0.30

Молибден (Mo)

0.150.25

Никель (Ni), не более

0.30

Сера (S), не более

0.025

Углерод (C)

0.350.42

Фосфор (P), не более

0.025

Хром (Cr)

1.351.65

Механические свойства

Сечение, мм

σ 0,2, МПа

σ B, МПа

σ 5, %

σ, %

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

235277

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

60

880

1030

18

52


250300

100

730

880

10

45

59


200

590

780

10

45

59


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

120

780880

9301030

1215

3545

6998

285302



Механические свойства при 20 °С      

Термообработка, состояние поставки

σ 0,2, МПа

σ B, МПа

σ 5, %

σ, %

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, 51100 мм - в ящиках.

Свариваемость

не применяется для сварных конструкций.

Обрабатываемость резанием

В закаленном и отпущенном состоянии при НВ 240277 σ B = 780 МПа Kσ тв.спл. = 0.75, Kσ б.ст. = 0.55.

Склонность к отпускной способности

не склонна

Флокеночувствительность

чувствительна



Температуры критических точек

Критическая точка

°С

Ac1

800

Ac3

865

Твёрдость

Состояние поставки, режим термообработки

НВ

HV

Закалка 915930 °С, масло или вода.

Отпуск 640680 °С, воздух.

Азотирование 520540 °С с печью до 100 °С.

250300

8501050

Предел выносливости

σ-1, МПа

n

σB, МПа

σ0,2, МПа

Термообработка, состояние стали

392480

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

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

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



Случайные файлы

Файл
36712.rtf
49509.rtf
1968.rtf
35118.rtf
113918.rtf