Московский Государственный Технический Университет имени Н.Э. Баумана

Домашнее задание по курсу «Материаловедение»

Вариант Д20

Выполнил студент группы

Преподаватель-консультант

Условие

Для наиболее нагруженных зубчатых колес, работающих в условиях высокой температуры (250-350°С), используются комплексно-легированные теплостойкие цементируемые стали: 12Х2НВФА, 20Х3МВФ-Ш, 16Х3НВФМБ-Ш.

1. Зубчатое колесо трансмиссии авиационного двигателя изготавливается из стали 20Х3МВФ-Ш. Назначьте режимы цементации и последующей термической обработки, обеспечивающей эффективную толщину слоя 1,1 – 1,3 мм, твердость на поверхности HRC 59-62 твердость сердцевины HRC 38-42. Постройте график термической обработки, включающий цементацию и последующую термическую обработку в координатах температура-время.

2. Опишите процесс химико-термической обработки, а также структурные превращения, происходящие на поверхности и в сердцевине детали на всех этапах термической обработки.

3. Приведите основные сведения об этой стали:

- химический состав по ГОСТу;

- область применения;

- требования, предъявляемые к этому виду изделий;

- механические и технические свойства;

- влияние легирующих элементов и др.

Определение цементации:

Цементация - технологический процесс диффузионного насыщения углеродом.

Режим цементации:

Для проведения газовой цементации в качестве карбюризатора используется разбавленный природный газ, состоящий почти полностью из метана, контролируемые атмосферы, получаемые в специальных генераторах, а также жидкие углеводороды (керосин, бензол, и др.), каплями подаваемые в герметичное рабочее пространство печи, где они образуют активную газовую среду. Основная ведущая реакция при наличии метана

C H₄ 2H₂ + C

На поверхности деталей протекает ведущая процесс цементации реакция диспропорционирования, в результате которой поверхность насыщается углеродом.

2 CO CO₂ + C,

Температура при цементации равна 1000⁰C. Такой температуре соответствует скорость цементации около 0,75 мм/ч. Следовательно, для обеспечения эффективной толщины слоя 1,1 – 1,3 мм время цементации должно составлять 1,5 – 1,7 ч.

После цементации необходима сложная термообработка, состоящая из двойной закалки и низкого отпуска.

При первой закалке деталь необходимо нагреть до температуры (925 + 30...50)°С. При таком нагреве во всем объеме детали образуется аустенит. Нагрев до температур, немного превышающих 925°С, вызывает перекристаллизацию сердцевины детали с образованием мелкого аустенитного зерна, что обеспечит мелкозернистость продуктов распада. При такой температуре диффузионный слой переходит в аустенитное состояние, поэтому, чтобы предотвратить выделение цементита, необходимо провести закалку.

При второй закалке деталь нагревают до температуры 815 + 30...50°С. В процессе нагрева мартенсит, полученный в результате первой закалки, отпускается, что сопровождается образованием глобулярных карбидов, которые в определенном количестве сохраняются после неполной закалки в поверхностной заэвтектоидной части слоя, увеличивая его твердость. Вторая закалка обеспечивает также мелкое зерно в науглероженном слое.

Окончательной операцией термической обработки является низкий отпуск при 160 - 200°С, уменьшающий остаточные напряжения и не снижающий твердость стали. После двойной закалки и низкого отпуска поверхностный слой приобретает структуру отпущенного мартенсита с включениями глобулярных карбидов.

После такой комплексной химико-термической обработки детали содержание углерода в ее поверхностном слое будет 1,2 – 1,4%, а в сердцевине останется 0,2%. Это обеспечит необходимую твердость HRC 59-62 на поверхности, и HRC 38-42 – в сердцевине, которая в свою очередь останется достаточно вязкой.

Изменение структуры сплава в ходе протекания всей химико-термической обработки можно представить следующим образом:

	1	2	3	4	5	6	7	8	9
Повер.	П+Ф	А0,2	А1,2	П+К	А1,2	М	А+К	М	Мотп
Сердц.	П+Ф	А0,2	А0,2	Ф+П	А0,2	М	А+Ф	Ф+П	Ф+П

1

2

3

4

5

6

7

8

9

Химический состав стали 20Х3МВФ:

Элемент %

Углерод (C) 0.15-0.23

Хром (Cr) 2.80-3.30

Молибден (Mo) 0.35-0.55

Вольфрам (W) 0.30-0.50

Ванадий (V) 0.60-0.85

Кремний (Si) 0.17-0.37

Марганец (Mn) 0.25-0.50

Медь (Cu), не более 0.20

Никель (Ni), не более 0.30

Фосфор (P), не более 0.030

Сера (S), не более 0.025

Область применения:

Крепеж, зубчатые колеса трансмиссии авиационного двигателя и другие детали, работающие при высоких температурах (до 540 – 560⁰C).

Требования, предъявляемые к этому виду изделий:

Толщина поверхностного слоя, обогащенного углеродом, должна составлять 1,1 – 1,3 мм, твердость на поверхности HRC 59-62 твердость сердцевины HRC 38-42. Температура на участках контакта может достигать 250⁰С. Данные зубчатые колеса, работающие в условиях высокой температуры 250-350°С, подвергаются воздействию больших, динамически меняющихся нагрузок.

Механические и технические свойства:

Механические свойства при повышенных температурах

t испытания, °C	0,2, МПа	B, МПа	5, %	, %	KCU, Дж/м2
20	730-810	870-910	13	45-50	34-44
200	700	780	12	55	67
300	700	780	10	39	88
400	660	720	10	33	83
500	580-610	600-630	-	44-52	78
550	510-550	530-560	10-12	44	59-78
580	480-500	490-540	11	27-40	59-78

Механические свойства прутков

Термообработка, состояние поставки	Сечение, мм	0,2, МПа	B, МПа	5, %	, %	KCU, Дж/см2
Закалка 1030-1060 °С, масло. Отпуск 660-700 °С, воздух.	90	735	880	12	40	59