§2 Выбор режима термической обработки стали марки 40хнма

Для достижения необходимой твердости (260-300 HB), выбранной конструкционной стали марки 40ХНМА, предназначенной для изготовления крупных деталей (коленчатые валы, муфты, промежуточные валы и др.) подходит следующий вид термообработки: закалка с последующим высоким отпуском. Причем после термообработки целесообразно будет произвести один из видов химико-термической обработки – азотирование.

Азотированием называется процесс насыщения поверхностного слоя азотом. Целью азотирования является создание поверхностного слоя с особо высокой твердостью, износостойкостью, повышенной усталостной прочностью и сопротивлением коррозии в водной среде, паровоздушной и влажной атмосфере.

Процесс азотирования состоит в выдержке в течение довольно длительного времени (до 48 ч) деталей в атмосфере аммиака при 500 - 550 °С. При более высокой температуре образуются более крупные нитриды, и твердость уменьшается. Азотирование проводят в стальных, герметически закрытых ретортах, в которые поступает аммиак. Реторту помещают в нагревательную печь. Поступающий из баллонов аммиак при нагреве разлагается на азот и водород.

Активные атомы азота проникают в решетку -железа и диффундируют в ней. Образующиеся при этом нитриды железа еще не обеспечивают достаточно высокой твердости. Высокую твердость азотированному слою придают нитриды легирующих элементов, прежде всего хрома, молибдена, алюминия.

Азотированию обычно подвергают готовые изделия, прошедшие механическую и окончательную термическую обработку (закалку с высоким отпуском 600 - 650°С, температура которого выше максимальной температуры азотирования). Напомню, что до термообработки заданная сталь имела структуру феррит + перлит. После такой термической обработки металл приобретает структуру сорбита, имеющую высокую прочность и вязкость. Эта структура сохраняется в сердцевине детали и после азотирования. Глубина азотированного слоя достигает 0,3 - 0,6 мм. Из-за сравнительно низких температур скорость азотирования значительно меньше, чем скорость цементации и составляет всего 0,01 мм/ч и менее.

По сравнению с цементацией азотирование имеет ряд преимуществ и недостатков. Преимуществами азотирования являются более высокая твердость и износостойкость поверхностного слоя, сохранение их высоких свойств при нагреве до 500°С, а также высокие коррозионные свойства. В азотированном слое создаются остаточные напряжения сжатия, что повышает усталостную прочность. Кроме того, после азотирования не требуется закалки, что позволяет избежать сопутствующих закалке дефектов. Недостатками азотирования по сравнению с цементацией являются более высокая длительность процесса и необходимость применения дорогостоящих легированных сталей. Поэтому азотирование применяют в случае изготовления более ответственных деталей, от которых требуется особо высокое качество поверхностного слоя.

Заключение.

Таким образом, после заданной термической обработке: закалки с последующим высоким отпуском сталь будет обладать повышенной твердостью (порядка 300-370 HB), что для нашего случая (изготовлению из данной стали промежуточных, коленчатых валов, муфт и других деталей) является приемлемым. Дальнейшее азотирование позволяет повысить усталостную прочность концентраторов напряжения (шейки вала, сужения, галтели, места выходов масляных каналов, шпоночные соединения), и общую долговечность детали.

Выбор данного метода термической обработки обусловлен тем, что высокий отпуск обеспечивает одновременно значительную пластичность конструкционной стали при повышенной, по сравнению с нормализацией и отжигом, прочности. Поэтому термическую обработку состоящую из закалки и последующего высокого отпуска называют улучшением, которому подвергают среднеуглеродистые стали для уменьшения чувствительности к концентраторам напряжений, снижения температуры порога хладноломкости.

Также не следует забывать о немаловажной роли легирующих элементов: никель обеспечивает необходимый запас вязкости, а в сочетании с хромом большую прокаливаемость, а его сочетание с молибденом сильно снижает порог хладноломкости, молибден также вводят для предотвращения явления отпускной хрупкости.