ДЗ / Еще одно домашнее задание

Задание.

Ответственные валы изготавливают из ответственных легированных сталей (45ХФ, 42ХМФА, 18Х2Н4ВА, 38ХН3МА и др.), упрочненных азотированием.

1. Выберите сталь для изготовления коленчатого вала тепловозного двигателя диаметром шейки 150 мм. Укажите режимы предварительной термической обработки и ХТО, обеспечивающие: механические свойства сердцевины σ_0.2≥785 МПа, δ≥10%; толщину слоя 0,6-0,7 мм. Постройте график термообработки, включающий предварительную термическую обработку и азотирование в координатах температура-время с указанием: температуры нагрева, времени выдержки, среды охлаждения. Опишите процесс азотирования, указав его назначение, преимущества и недостатки.

2. Опишите структурные превращения, происходящие в детали на всех этапах термической обработки. Укажите структуру и твердость стали на поверхности и в сердцевине вала после упрочнения.

3. Приведите основные сведения об этом сплаве: химический состав по ГОСТу, область применения, механические и технологические свойства, влияние легирующих элементов, достоинства и недостатки и др.

Улучшаемые легированные стали применяют для большой группы деталей машин, работающих не только при статических, но и в условиях циклических и ударных нагрузок (валы, штоки, шатуны и др.), концентрации напряжений, а в некоторых случаях и при пониженных температурах.

Эти стали обладают повышенным пределом текучести в сочетании с хорошей пластичностью и вязкостью, высоким сопротивлением развитию трещины.

Для изготовления коленчатого вала тепловозного двигателя диаметром шейки 150 мм выберем хромоникельмолибденовую сталь 38ХН3МА, которая относится к глубокопрокаливающимся сталям. Эта сталь предназначена для изготовления деталей с поперечным сечением 100 мм и более.

Сталь 38ХН3МА приобретает основные механические свойства после термического улучшения – закалки и высокого отпуска. После этого поверхность обрабатывается азотированием.

Г

t,ºC

рафик предварительной термообработки и азотированием

A_C3 (770^OC)

A_C1 (730^oC)

После указанного режима термообработки сердцевина приобретает следующие механические свойства:

σ0,2, МПа	σв, МПа	δ, %	ψ, %	KCU, МДж/м2	НВ
1100	1200	12	50	0,8	300

Азотирование – процесс диффузионного насыщения азотом поверхностной зоны деталей. Азотирование применяют для повышения износостойкости и предела выносливости деталей машин.

До азотирования детали подвергают закалке, высокому отпуску (улучшению) и чистовой обработке.

Обычное азотирование проводят при температуре 500-600оС в муфелях или контейнерах, через которые пропускается диссоциирующий аммиак.

Преимущества:

1. Высокая теплостойкость диффузионного слоя.

2. Высокая твердость и износостойкость.

3. Коррозионная стойкость.

4. Невысокая температура процесса приводит к отсутствию деформации деталей, поэтому не требуется механическая обработка.

Недостатки:

1. Большая длительность процесса.

2. Маленькая толщина упрочняемого слоя.

3. Высокая стоимость процесса.

Описание структурных превращений.

Сталь 38ХН3МА – доэвтектоидная. Ее подвергают полной закалке, т.е. переводят в однофазное аустенитное состояние, нагревая выше критических температур А_С3. Получается мелкозернистый аустенит. Последующее охлаждение со скоростью V>V_кр обеспечивает получение мелкозернистого мартенсита.

Исходная структура стали феррит и перлит. При достижении температуры А_С1 в сталях начинается превращение перлита в аустенит. Кристаллы аустенита зарождаются преимущественно на межфазных поверхностях раздела феррита с цементитом. При этом происходит два параллельно идущих процесса: полиморфного α → γ превращения и растворения в Fe_γ углерода цементита. Все это сопровождается измельчением зерна стали.

При нагреве от А_С1 до А_С3 происходит превращение избыточного феррита в аустенит. Процесс сопровождается диффузией углерода, приводящей к выравниванию концентрации и небольшому укрупнению зерен аустенита.

Закалка. При охлаждении стали со скоростью V>V_кр, будет образовываться мартенсит – неравновесная фаза – пересыщенный твердый раствор внедрения углерода в Fe_α. Кристаллы мартенсита, имея пластинчатую форму, растут с огромной скоростью, равной скорости звука в стали. Их росту препятствует граница зерна аустенита или ранее образовавшаяся пластина мартенсита.

Образование мартенсита приводит к большим остаточным напряжениям, повышению твердости, прочности. Также возрастает склонность к хрупкому разрушению, что требует проведения последующего отпуска.

Отпуск. При отпуске происходит несколько процессов. Основной – распад мартенсита, состоящий в выделении углерода в виде карбидов. Кроме того, распадается остаточный аустенит, совершаются карбидное превращение и коагуляция карбидов, уменьшаются несовершенства кристаллического строения α-твердого раствора и остаточные напряжения.

Ферритно-карбидную смесь, которая образуется после высокого отпуска, называют сорбитом отпуска.

Азотирование. При азотировании по мере насыщения железа азотом при температуре ниже 590ºС 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_II-фазы, и структура азотированной зоны от поверхности к сердцевине становится следующей: ε + γ´_II → γ´→α + γ´_II → α.

Легирование изменяет состав фаз и температурные границы их образования. При азотировании специально легированных сталей, которые содержат более активные нитридообразующие элементы: Cr, Mo, Al, V, Ti, - достигается значительная твердость на поверхности (до 1200). Сталь 38ХН3МА после термообработки в сердцевине имеет твердость НВ=300.

Основные сведения о стали 38ХН3МА.

Химический состав:

Химический элемент	Содержание, %
Кремний (Si)	0,17 – 0,37
Марганец (Mn)	0,25 – 0,50
Медь (Cu), не более	0,30
Молибден (Mo)	0,20 – 0,30
Никель (Ni)	2,75 – 3,25
Сера (S), не более	0,025
Углерод (С)	0,33 – 0,40
Фосфор (Р), не более	0,025
Хром (Cr)	0,80 – 1,20

Область применения:

Валы, оси, шестерни и другие крупные особо ответственные детали.

Механические свойства:

σ0,2, МПа	σв, МПа	δ, %	ψ, %	KCU, МДж/м2	НВ
1100	1200	12	50	0,8	300

Технологические свойства:

Температура ковки	начала 1200, конца 850
Свариваемость	не применяется для сварных конструкций
Склонность к отпускной способности	не склонна
Флокеночувствительность	повышено чувствительна

Влияние легирующих элементов:

Кремний сильно повышает предел текучести, несколько затрудняет разупрочнение стали при отпуске; снижает вязкость и повышает порог хладоломкости при содержании Si свыше 1%.

Марганец повышает предел текучести, однако делает сталь чувствительной к перегреву.

Молибден уменьшает склонность к отпускной хрупкости второго рода, улучшает свойства комплексно-легированных сталей в результате измельчения зерна, повышает стойкость к отпуску, увеличивает прокаливаемость.

Хром, растворяясь в феррите и цементите, оказывает благоприятное влияние на механические свойства стали.

Cr, Ni и Мо эффективно повышают прокаливаемость.

Достоинства стали:

• малая склонность к хрупкому разрушению,

• хорошая работа при динамических нагрузках и в условиях пониженных температур,

• слабо разупрочняется при нагреве.

Недостатки стали:

• высокая стоимость,

• пониженная обрабатываемость резаньем,

• склонность к образованию флокенов.

Список использованной литературы.

1. Материаловедение. Учебник для вузов. Б.Н. Арзамасов, В.И. Макарова, Г.Г. Мухин и др. – М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2001 г.

2. Электронный справочник сталей. Интернет-ресурс: http://www.steels.h1.ru/

3. Лекции по курсу «Материаловедение»: лектор Р.С. Фахуртдинов, 2005 – 2006гг.

4. Электронное учебное пособие по выполнению домашнего задания по курсу «Материаловедение». Г. Г. Мухин, М. С. Павлов, Р. С. Фахуртдинов. – 1999 г.