Московский Государственный Технический Университет им. Н. Э. Баумана

Домашнее задание

по предмету

Материаловедение

вариант 406Д

*********

2004г.

Задание

Одним из методов поверхностного упрочнения деталей является процесс химико-термической обработки – азотирование. Азотирование применяют для ответственных изделий: шестерен, валов, цилиндров двигателей, втулок и др.

1. Шестерня изготовлена из стали марки 38х2мюа. Укажите режим предварительной термической обработки и азотирования. Опишите процесс азотирования, укажите его назначение, преимущества и недостатки.

2. Опишите структурные превращения, происходящие при термической обработке и азотировании, постройте график термообработки для этой стали в координатах температура-время. Укажите влияние легирующих элементов на свойства стали.

3. Приведите основные сведения об этой стали: гост, химический состав, механические свойства, применение и др.

Обоснование выбора технологии термической обработки:

Сталь 38Х2МЮА – среднеуглеродистая легированная. Наилучшее сочетание прочности и пластичности, что обеспечивает хорошую работу материала при динамических нагрузках, сталь приобретает после динамической обработки, состоящей из закалки и последующего высокотемпературного отпуска. Такой вид термообработки называется улучшением и обеспечивает в данной стали структуру сорбита, являющуюся носителем оптимальных эксплуатационных свойств.

Получение структуры сорбита для данной стали можно достичь и просто отжигом ее при тех же температурах, при которых материал нагревается под закалку, с последующем охлаждением на воздухе. Такой технологический процесс называется нормализацией. Однако улучшение этих сталей в отличии от нормализации обеспечивает повышенный предел текучести в сочетании с хорошей пластичностью и вязкостью, высоким сопротивлением развитию трещины, снижает порог хладноломкости.

Режим термической обработки стали:

Для стали 38Х2МЮА выбрана термическая обработка, состоящая из закалки с последующим высоким отпуском. Температура и продолжительность закалки: доэвтектойдные стали нагревают под закалку до температуры на 30..50 °С выше температуры АС3. Для данной стали температура нагрева под закалку составляет 920..940 °С. Исходная структура стали феррит + перлит при нагреве стали до температуры закалки (выше А3) и выдержки при этой температуры превращается в аустенит. Продолжительность выдержки при температуре аустенизации должна обеспечить прогрев детали по сечению и завершение фазовых превращений, но не более. Иначе будет происходить нежелательный рост зерна, что в последующем приведет к охрупчиванию материала.

Исходя из вышеуказанного, продолжительность прогрева детали из данного материала выбирают следующим образом: на 1мм поперечного сечения детали – 45-75 сек в электропечах и 15-25 сек в соляной ванне (это чтобы прогреть деталь) + 15..20 % от продолжительности прогрева детали. Выбранный режим нагрева должен обеспечить полное превращение исходной феррито-перлитной структуры в аустенит. Последующее охлаждение материала произведем в масле, чтобы обеспечить скорость охлаждения больше, чем vкр (наименьшая скорость охлаждения, при которой аустенит превращается в мартенсит, т.е. в структуру закаленной стали). При скоростях охлаждения меньше vкр в углеродистой стали протекает только диффузионные процессы распада аустенита с образованием феррито-перлитной структуры различной степени дисперсности (перлит, сорбит, тростит). При высоких скоростях охлаждения (выше vкр) диффузионный распад аустенита подавляется – аустенит претерпевает только мартенситное превращение. Мартенсит представляет собой пересыщенный твердый раствор внедрения углерода в Fea. Как правило, при закалке не весь аустенит превращается в мартенсит, и структура закаленной стали представляет собой мартенсит и остаточный аустенит.

Образование в результате закалки мартенсита приведет к большим остаточным напряжениям, повышению твердости, прочности, однако резко возрастает склонность материала к хрупкому разрушению, особенно при динамических нагрузках. В связи с этим проводится окончательная операция термической обработки – высокотемпературный отпуск, при котором снимаются остаточные напряжения и обеспечиваются необходимые механические свойства материала.

Отпуск заключается в нагреве до температуры ниже АС1 , выдержке при заданной температуре и последующем охлаждении с определенной скоростью. Режим отпуска Т=660 °С в течение 1-6 часов в зависимости от габаритов изделия. Охлаждающая среда – масло. Структура стали после высокого отпуска – сорбит отпуска. Высокий отпуск следует наилучшее соотношение прочности и вязкости.

Режим химико-термической обработки:

Химико-термической обработкой называют обработку, заключающуюся в сочетании термического и химического воздействий на металлы и сплавы для изменения химического состава структуры и свойств в поверхностных слоях. Химико-термическая обработка сводится к диффузионному насыщению поверхностного слоя стали неметаллами или металлами в процессе выдержки при определенной температуре в активной жидкой или газовой среде.

Для получения требуемых свойств проводим химико-термическую обработку – азотирование. Азотирование – процесс диффузионного насыщения поверхностного слоя (0,3 – 0,6 мм) стали азотом. Азотирование очень сильно повышает твердость поверхностного слоя, его износостойкость, предел выносливости и сопротивление коррозии в таких средах, как атмосфера, вода, пар и др. Азотирование ведут в диссоциированном аммиаке NH3 (25 – 60 %). На обрабатываемой поверхности происходит диссоциация NH3 с образованием ионов азота, которые адсорбируются поверхностью и диффундируют в глубь металла. Твердость азотированного слоя на железе невелика ~ 300 – 350 НВ. Зоны ГП и обособленные выделения нитридов препятствуют движению дислокаций и тем самым повышают твердость азотированного слоя. Износостойкость азотированной стали намного выше, чем износостойкость цементированной и закаленной. В азотированном слое возникают остаточные напряжения сжатия, величина которых на поверхности составляет 600 – 800 МПа. Это повышает предел выносливости и переносит очаг усталостного разрушения под азотированный слой. Предел выносливости гладких образцов возрастает на 30 – 40 %, а при наличии концентраторов напряжений – более чем на 100 %. Но вследствие небольшой толщины слоя (0,3 – 0,6 мм), ограничивающей допустимые нагрузки, а также большой длительности процесса азотирование применяется реже, чем, например, цементация.

Влияние легирующих элементов:

Влияние легирующих элементов на механические свойства стали зависит от ее структурного состояния, которое определяется термической обработкой. После закалки и высокого отпуска (улучшения) структура представляет собой сорбит – ферритно-карбидную смесь с зернистой формой карбидной фазы. Высокие механические свойства сорбита обусловлены влиянием легирующих элементов на прочность феррита, а также дисперсность и количество карбидной фазы. Сильное упрочняющее действие оказывают карбидообразующие элементы, которые затрудняют распад мартенсита и выделение из него углерода в виде дисперсных частиц карбидов. Карбидообразующие элементы упрочняют феррит также через карбидную фазу. Большинство легирующих элементов измельчает зерно, что способствует повышению работы развития трещины и снижению порога хладноломкости. В стали 38Х2МЮА в качестве легирующих элементов вводятся Хром (1,35..1,65%), Марганец (0,3..0,6%), Молибден (0,15..0,25%).