Разработка технологического процесса термической обработки стали различного состава применительно к условиям работы данной детали маши

     Отпуском называется нагрев закаленной стали до температур ниже критической точки Ас1, выдержка при этой температуре с последующим охлаждением (обычно на воздухе). Отпуск является окончательной термической обработкой.

     Целью отпуска является изменение строения и свойств закаленной стали: повышение вязкости и пластичности. Уменьшается твердость. Кроме того, при отпуске частично или полностью устраняются внутренние напряжения.

     В зависимости, от температуры нагрева различают три вида отпуска:

1. низкий отпуск-нагрев до 200^оС. Применяется для снятия внутренних напряжений (структура: мартенсит отпущенный).
2. средний отпуск-нагрев на 350-500^оС. Повышает пластичность (структура: мелкозернистая ферритно-цементитная смесь - троостит).
3. высокий отпуск-нагрев до 500-680^оС. Создает наилучшее соотношение прочности и вязкости стали (структура: сорбит отпуска).

     Для данной стали необходимо провести высокий отпуск  при температуре 580⁰С, превышающей максимальную температуру последующего азотирования и обеспечивающей получение твердости, при которой сталь можно обрабатывать резанием.

     При высоком отпуске в стали ускоряются диффузионные процессы, происходит выделение избыточных атомов углерода в виде цементита, т.е. мартенсит распадается на феррито-цементитную смесь. Полное выделение углерода из мартенсита обуславливает снятие внутренних напряжений, связанных со структурными превращениями при закалке. Получится структура, сочетающая достаточно высокую твёрдость и повышенную ударную вязкость, которые в данных условиях работы необходимы.

     Также следует учесть, что исходная сталь склонна к отпускной хрупкости (охрупчивание стали при отпуске), поэтому охлаждение должно быть быстрым. Связано это с тем, что при высоком отпуске по границам зёрен происходит образование и выделение дисперсных включений карбидов. Пограничная зона обедняется легирующими элементами. При последующем медленном охлаждении происходит диффузия фосфора к границам зерна. Пограничные зоны обогащаются фосфором, снижается прочность и ударная вязкость. Этому дефекту способствует хром, марганец и фосфор. Если же сталь охладить быстро, то границы зёрен не успеют обогатиться фосфором и охрупчивание стали наблюдаться не будет.

     Таким образом, сталь 38ХВФЮА подвергли улучшению (термическая обработка, состоящая из закалки и высокого отпуска). В результате получили структуру 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.

     Азотированием называется химико-термическая  обработка (ХТО), заключающеяся 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.

     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 (рис.2), можно заключить, что для получения детали с максимальной твердостью и минимальной деформацией следует применять низкую температуру азотирования для стали 38ХВФЮА (510° С), при которой глубина будет невелика (0,3-0,4 мм). И в этом случае продолжительность процесса составляет 24-48 часов, а твёрдость слоя 850-950 HV.

     Азотирование очень долгий процесс, поэтому для ускорения воспользуемся методом ступенчатых циклов, заключающийся в проведении процесса не при одной, а при нескольких температурах. Вначале азотирование проведем при 500-520 °С, а затем температуру повышают до 540-560° 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: εà γ^/ à α+γ^/ (рис.3) 

-α-азотистый феррит;

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

-ε-нитрид Fe₃N, тоже фаза внедрения

с весьма широкой  областью гомогенности,

имеющая гексагональную решетку  
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

5) Окончательное шлифование и доводка изделия.

     В результате термической обработки получаем вязкую сердцевину и поверхностный слой высокой твердости и износоустойчивости, что полностью соответствует предъявляемым требованиям к свойствам стали 38ХВФЮА, которые определяются условиями эксплуатации кулачков и эксцентриков.

7. Вывод.

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

     Выбрав сталь 38ХВФЮА, проведя вышеуказанную термическую обработку и подвергнув ее азотированию, мы выполним поставленную задачу, а именно достигнем минимальной деформации, высокой твердости (750-1000 HB) и высокой износостойкости.   

8. Список литературы.

1. Ю.М. Лахтин, В.П. Леонтьева «Материаловедение»
2. А.П. Гуляев «Металловедение»
3. «Справочник металлиста», том 2.
4. В.Г. Сорокин «Марочник сталей и сплавов».