Задание. Копиры должны иметь минимальную деформацию и высокую износоустойчивость (твердость поверхностного слоя 750 1000 HV)

Копиры должны иметь минимальную деформацию и высокую износоустойчивость (твердость поверхностного слоя 750…1000 HV). Для их изготовления выбрана сталь 38ХМЮА. Необходимо: расшифровать состав и определить, к какой группе по назначению относится данная сталь; назначить и обосновать режим термической обработки, объяснив влияние легирования на превращения, происходящие на всех этапах обработки данной стали; описать микроструктуру и свойства стали после термической и химико-термической обработки.

Копиры широко применяются в станках-автоматах и работают в условиях контактного нагружения, по конструктивным особенностям (отношение l/d) относятся к дискообразным деталям.

Поскольку дискообразные детали технологически не жесткие, при назначении режимов термообработки следует предупреждать их коробление.

Для копиров, требующих высокую поверхностную твердость (750… 1000 HV), оптимальным вариантом упрочнения является улучшение с последующим азотированием. Азотирование как метод поверхностного упрочнения обеспечивает минимальную деформацию, высокую износостойкость, коррозийную стойкость в атмосфере. Обладая повышенной хрупкостью, азотированный слой должен опираться на упрочненную подложку. В данном процессе ее формируют закалка и высокий отпуск.

Для изготовления копиров выбран нитраллой (азотируемая сталь) 38ХМЮА – конструкционная улучшаемая сталь. Химический состав этой стали по ГОСТ 4543-71, в процентах: углерод – 0,35…0,42, хром (Х) – 1,35…1,65, молибден (М) – 0,15…0,25, алюминий (Ю) – 0,7…1,1, сера и фосфор – не более 0,025 (сталь высококачественная, что определяется и маркой стали – буква А).

В состоянии поставки сталь 38ХМЮА имеет нормализованную структуру – мелкозернистый феррит – легированный перлит.

Нагрев под закалку стали 38ХМЮ следует проводить с учетом ее легированности. Для получения однородного гомогенного аустенита легированного нагрев проводят до 920…950 ^оС. Учитывая склонность стали к обезуглероживанию, продолжительность нагрева должна быть минимальной, но достаточной для образования однородного аустенита.

Хром, молибден и особенно алюминий сдерживают рост аустенитного зерна при нагреве. Поэтому формирование крупного зерна в стали 38ХМЮА не происходит.

Охлаждение назначают в зависимости от размеров копира: в воде – для деталей диаметром более 50…80 мм и в масле – для деталей диаметром до 50 мм. Структура стали после закалки: мартенсит закалки + аустенит остаточный.

Легирующие элементы хром и молибден, снижая критическую скорость закалки, увеличивают прокаливаемость стали. Критический диаметр у стали 38ХМЮА d_кр = 45 мм (при закалке в масле) и d_кр = 70 мм (при закалке в воде).

После закалки проводят высокий отпуск. Температура отпуска должна на 50…100 ^оС превышать температуру азотирования. Назначаем температуру отпуска 600…650 ^оС. В процессе выдержки при отпуске протекает распад М_зак и А_ост на зернистую среднедисперсную смесь феррита и цементита, называемую сорбитом отпуска. Молибден, имеющийся в стали, предупреждает развитие обратимой отпускной хрупкости, поэтому детали можно охлаждать медленно (допускается охлаждение и в масле).

После отпуска следует азотирование. Для обеспечения требуемой твердости 750…1000 HV, азотирование проводят при 520…540 ^о С в течение 20…30 ч, при этом образуется диффузионный слой толщиной 0,2…0,3 мм.

Наличие хрома и алюминия способствует формированию в слое специальных нитридов CrN и AlN, что приводит к повышению твердости слоя.

Строение азотированного слоя определяется характером взаимодействия азота с железом. В общем случае диффузионный слой имеет следующее строение. На поверхности образуется e-фаза (твердый раствор на базе нитрида Fe₃N, содержащий приблизительно 9,5…11,0 % азота).

Испытывая распад, e-фаза переходит в g¢-фазу (твердый раствор на базе нитрида Fe N, содержащий приблизительно 5,3…5,7 % азота). По мере увеличения толщины слоя количество g¢- фазы уменьшается. Феррит a-фазы, входящий в состав сорбита отпуска, насыщается азотом до 0,004 %. Сердцевина изделия имеет структуру сорбита.

Механические свойства в готовом изделии: s_В = 900 МПа, s_и = 750 МПа, d = 10 %, y = 45%, а_Н = 80 Дж/см², твердость поверхности 750…1000 HV.