Размещено на http://www.allbest.ru/

РГУ нефти и газа им. И.М. Губкина

Курсовая работа

по материаловедению

Вариант №12

Выполнил: студент гр. МА-03-07

Лищук А.С.

Проверил: Казаков Б.М.

Москва 2005

План

Требуемые свойства деталей

Краткая характеристика процессов химико-термической обработки стали

Азотирование стали

Технология процесса азотирования стали 35ХМЮА

Возможность замены стали 35ХМЮА

Список литературы

Требуемые свойства деталей

Как следует из условий работы кулачки, эксцентрики и некоторые другие детали должны иметь после термической обработки минимальную деформацию, высокую твердость поверхности и износоустойчивость.

В настоящее время вместо стали 35ХЮА используется сталь 35ХМЮА.

Краткая характеристика процессов химико-термической обработки стали

Химико-термической обработкой называют обработку, заключающуюся в сочетании термического и химического воздействия с целью изменения состава, структуры и свойств поверхностного слоя детали в необходимом направлении. При этом происходит поверхностное насыщение металлического материала соответствующим элементом (например, углеродом, азотом, алюминием, хромом и др.) путем его диффузии в атомарном состоянии из внешней среды (твердой, жидкой, паровой) при высокой температуре.

Широкое применение ХТО в различных областях техники объясняется тем, что большинство деталей машин работают в условиях износа, циклических нагрузок, коррозии при высоких температурах, при которых максимальные напряжения возникают в поверхностных слоях металла. ХТО металлов и сплавов повышает надежность и долговечность деталей машин.

В случае газового окружения химико-термическая обработка включает три элементарных процесса:

1) Первый процесс--диссоциация. Протекает в газовой среде и состоит в распаде молекул и образовании активных атомов диффундирующего элемента. Степень распада молекул газа (%) называется степенью диссоциации.

2) Второй процесс--абсорбция. Происходит на границе газ-металл и состоит в поглощении (растворении) поверхностью свободных атомов. Этот процесс возможен только в том случае, если диффундирующий элемент В способен растворяться в основном металле А.

3) Проникновение насыщающего элемента вглубь--диффузия, Она характеризует третий процесс.

В результате образуется диффузионный слой, на поверхности которого концентрация диффундирующего элемента наибольшая; по мере удаления от поверхности концентрация падает, глубина проникновения (у) будет представлять собой толщину слоя. Так обстоит дело, если диффундирующий элемент образует с металлом систему непрерывных твердых растворов.

Различаются два вида диффузионного перемещения атомов в металлах: а) самодиффузия, когда происходит перемещение атомов основного металла в собственной кристаллической решетке; б) гетеродиффузия, когда происходит перемещение инородных (растворенных) атомов в чужой кристаллической решетке.

В первом случае в результате хаотического теплового движения отдельные атомы основного металла время от времени меняют места в своей кристаллической решетке, совершая перескок из одного положения в другое. Этот процесс перемещения однородных атомов происходит непрерывно и хаотически по направлению и не изменяет концентрации.

Во втором случае перемещение инородных атомов происходит в направлении от мест высокой концентрации к местам низкой концентрации. Этот процесс совершается самопроизвольно, так как состояние с неравномерной концентрацией обладает большей свободной энергией, чем состояние с равномерным распределением растворенных атомов.

Продолжительность процесса химико-термической обработки определяется требуемой глубиной диффузионного слоя. При постоянных параметрах процесса (температура и др.) увеличение глубины слоя (у) во времени (т) подчиняется параболическому закону. Чем больше толщина уже имеющегося слоя, тем меньше он увеличивается за одинаковый отрезок времени.

Виды химико-термической обработки:

1. Цементация (насыщение углеродом)

2. Азотирование (насыщение азотом)

3. Цианирование (насыщение азотом и углеродом)

4. Борирование

5. Силицирование

6. Хромирование

7. Алитирование

Азотирование стали

сталь азот термический химический

Азотированием называется ХТО, заключающееся в диффузионном насыщении поверхностного слоя стали азотом при нагревании в соответствующей среде. Азотированию подвергают гильзы цилиндров двигателей внутреннего сгорания, детали арматуры турбин, кулачки, эксцентрики и др. детали. Твердость азотированного слоя стали выше, чем цементованного, и сохраняется при нагреве до высоких температур (450⁰-500⁰С ), тогда как твердость цементованного слоя, имеющего мартенситную структуру, сохраняется только до 200-225 ⁰С. По сравнению с цементацией, этот процесс применяют сравнительно недавно. Промышленное применение азотирование получило лишь в 20-х годах нашего столетия.

Так как азотированный слой сам по себе (без какой-либо последующей термической обработки) приобретает высокую твердость, а размеры изделий после азотирования изменяются мало, то в отличие от процессов цементации азотирование проводят на готовых изделиях, прошедших окончательную термическую обработку (закалку с высоким отпуском) и доведенных шлифовкой до точного размера.

Азотирование обычно проводят при 500--600° С. В железную герметически закрытую реторту (муфель), вставленную в печь, помещают детали, подвергаемые азотированию.

В реторту из баллона поступает с определенной скоростью аммиак, который разлагается в ней (диссоциирует) по реакции:

NH₃=3H+N

Образующийся атомарный азот диффундирует в металл.

Основанием для правильных представлений о процессах азотирования служит диаграмма состояния системы Fe--N.

В системе Fe--N возможно образование следующих фаз (на диаграмме однофазные области заштрихованы):

б-азотистый феррит, содержащий в растворе 0,1% N при 591⁰С и около 0,01% при комнатной температуре;

г-азотистый аустенит, существующий как равновесная фаза лишь выше эвтектоидной температуры (591° С);

г'-нитрид Fe₄N, фаза внедрения, имеющая решетку гранецентрированного куба;

е-нитрид Fe₃N, тоже фаза внедрения;

с весьма широкой областью гомогенности, Микроструктура азотированного слоя имеющая гексагональную решетку железа (t=650⁰C с медленным охлаждением).

Со многими легирующими элементами азот также образует химические соединения--нитриды (CrN, CrsN, MnN, TiN и т. д.).

Размещено на http://www.allbest.ru/

Нитриды образуют металлы переходных групп (железо, хром, марганец, ванадий, вольфрам, молибден, титан). Высокая твердость азотированного слоя объясняется большой дисперсностью образующихся нитридов, тем больше, чем больше их термическая устойчивость.

Возможно, что присутствие алюминия в стали, кроме нитридов перечисленных элементов, вызывает образование нитрида AlN, ковалентные связи в котором обусловливают очень высокую его термическую устойчивость.

В азотированном слое присутствуют различные азотистые фазы в соответствии с диаграммой Fe--N и температурой процесса.

При температуре азотирования ниже эвтектоидной (591° С) азотированный слой состоит из трех фаз: е, г^/ и б.

Изотермическое сечение диаграммы Fe--N при температуре выше эвтектоидной (600--650° С) показывает, что при азотировании при этих температурах возможно образование четырех фаз: е, г^/, г и б. При медленном охлаждении с этих температур г-фаза (азотистый аустенит) распадается при 591⁰С на эвтектоид б+г'.

Распределение азота по глубине слоя имеет скачкообразный характер вследствие отсутствия переходных двухфазных слоев.

На практике азотированию подвергают легированные стали. Наличие легирующих элементов, как и углерода, существенно не изменяет кинетику образования азотированного слоя.

Как и в чистом железе, при наличии легирующих элементов происходит последовательное образование насыщенных азотом слоев б, затем г'+б, затем е+г^/+б; одновременно происходит образование нитридов специальных элементов (CrN, MoN, A1N и др.). Последние также образуются при охлаждении от температуры азотирования до комнатной вследствие уменьшения растворимости их в основных азотистых фазах.

Глубина и поверхностная твердость азотированного слоя зависят от ряда факторов, из которых основные: температура азотирования, продолжительность азотирования и состав азотируемой стали.

Глубина диффузионного слоя подчиняется общей параболической зависимости (), однако ввиду низких температур процесса (500-600° С) коэффициент К мал и наращивание слоя в процессе азотирования происходит очень медленно, приблизительно в десять раз медленнее, чем при цементации.

Скорость наращивания толщины слоя быстро увеличивается с повышением температуры, но возможность повышения температуры ограничена необходимостью получить при азотировании высокую твердость. Согласно современным представлениям, высокая твердость азотированного слоя обусловлена получением в процессе самого азотирования очень дисперсных нитридов. Чем выше температура, тем более крупные нитриды будут образовываться и тем ниже будет твердость.

Стали, содержащие элементы, образующие термически стойкие, т. е. не склонные к коагуляции нитриды (алюминия, а также хрома и молибдена), так называемые нитраллои, отличаются наиболее высокой твердостью азотированного слоя. Обычные конструкционные стали после азотирования имеют меньшую твердость, а твердость азотированных углеродистых сталей совсем невысока, так как в них специальные нитриды не образуются, а нитриды железа при 500° С и выше оказываются скоагулированными. Менее легированные стали азотируются легче, т. е. заданная глубина достигается при данной температуре за меньший отрезок времени. Наоборот, более легированные азотируются хуже, а в таких высоколегированных сталях, как нержавеющие, не удается получить глубину слоя более чем 0,20--0,25 мм.

Как было отмечено, азотируемый слой имеет сложную структуру и в свою очередь состоит из нескольких отличных по природе слоев.

В случае азотирования при температуре ниже эвтектоидной слой состоит из е+г^/+б. Носителем твердости является нижний б-слой (вследствие выделения дисперсных нитридов); г'-слой очень тонок, часто даже не обнаруживается, а е-слой непрочный и хрупкий.

В случае азотирования при температуре выше эвтектоидной, например 650° С, слой при этой температуре состоит из следующих фаз: е+г^/+г+б структура же после охлаждения претерпевает изменения, г-фаза (азотистый аустенит) при медленном охлаждении распадается на эвтектоид (так называемый браунит}:

Fe_г(N)=Fe_б(N)+Fe₄N,

а при быстром охлаждении претерпевает мартенситное превращение. В этом случае максимальной твердости отвечает мартенситный подслой.

Ранее отмечалось, что при азотировании твердость не зависит от условий охлаждения после проведения процесса. Это правильно лишь для азотирования при температуре ниже эвтектоидной. Следует иметь в виду, что температура эвтектоидного распада 591°С относится лишь к системе Fe--N; большинство легирующих элементов повышает эту температуру.

Виды азотирования: газовое, ионное, азотирование в жидких средах.

Технология процесса азотирования стали 35ХМЮА

Основное назначение процесса - повышение твердости и износоустойчивости. Для этой цели азотированию подвергают специальные стали (нитраллои), содержащие элементы, дающие нитриды высокой термической устойчивости (CrN, MoN, A1N). Наиболее распространенной маркой стали, предназначенной для азотирования, является сталь 35ХМЮА (0,30--0,38% С; 1,35--1,65% Cr; 0,4--0,6% Mo и 0,75--1,1% Al).

1. Предварительная термическая обработка заготовки. Эта операция состоит из закалки и высокого отпуска стали для получения повышенной прочности и вязкости в сердцевине изделия.

Закалку стали 35ХМЮА выполняют с нагревом до 930-950⁰С с охлаждением в воде или масле. Отпуск проводят при высокой температуре 600-675⁰С, превышающей максимальную температуру последующего азотирования и обеспечивающей получение твердости, при которой сталь можно обрабатывать резанием. Структура стали после этого отпуска - сорбит.

2. Механическая обработка деталей, а также шлифование и доводка, которые придают окончательные размеры детали.

3. Защита участков, не подлежащих азотированию, нанесением тонкого слоя (0,01-0,015 мм) олова электролитическим методом или жидкого стекла. Олово при температуре азотирования расплавляется на поверхности стали в виде тонкой не проницаемой для азота пленки.

4. Азотирование. Так как в данном случае в задачу азотирования входит получение высокой твердости, то обычно температуру азотирования держат на уровне 500--520⁰С. Длительность процесса зависит от требуемой глубины. Кроме того, следует учесть, что чем ниже температура процесса, тем меньше деформация детали при азотировании (последнее также имеет большое значение, так как на азотирование поступают детали, окончательно изготовленные, после шлифования). Принимая во внимание влияние температуры процесса, можно заключить, что для получения детали с максимальной твердостью и минимальной деформацией следует применять низкую температуру азотирования (500-- 520° С), при которой глубина будет невелика (до 0,5 мм, обычно 0,2-- 0,3 мм). И в этом случае продолжительность процесса составляет 24-60 часов.

Если не обязательно нужна максимальная твердость, то температуру процесса можно несколько повысить.

Процесс азотирования очень продолжителен, поэтому было сделано много попыток ускорить его. Из этих попыток реальным оказался только метод ступенчатых циклов, заключающийся в проведении процесса не при одной, а при нескольких температурах. Наибольшее распространение в промышленности имеет двойной повышающийся цикл, при котором вначале азотирование проводят при 500--520° С, а затем температуру повышают до 600--620° С. При этом ускоряется процесс в 1,5--2 раза и это мало отражается на твердости, которая имеет почти такое же высокое значение, как при низкой температуре изотермического цикла.

Микроструктура азотированного слоя стали с поверхности: е+г^/ г^/ б+г^/.

5. Окончательное шлифование и доводка изделия.

Таким образом выбранный режим термической обработки дает вязкую сердцевину и поверхностный слой высокой твердости и износоустойчивости, что полностью соответствует предъявляемым требованиям к свойствам стали 35ХМЮА, которые определяются условиями эксплуатации кулачков и эксцентриков.

Возможность замены стали 35ХМЮА

Для азотирования применяются среднеуглеродистые легированные стали. Кроме данной стали 35ХМЮА широко используются следующие: 38ХМЮА, 38ХВФЮ и ряд других сталей для деталей турбин, двигателей внутреннего сгорания и дизелей.

Список литературы

1. Ю.М. Лахтин, В.П. Леонтьева «Материаловедение».

2. А.П. Гуляев «Металловедение».

3. «Материаловедение и технология металлов».

4. «Справочник металлиста», том 2.

Размещено на Allbest.ru