Механические свойства стали.
Сортамент |
Размер |
Напр. |
Предел кратковр. прочности |
Предел пропор-ти |
Отн. удл-ие при разрыве |
Отн. суж. |
Уд.вязк. |
ТО |
- |
мм |
- |
МПа |
МПа |
% |
% |
кДж/м2 |
- |
Пруток, ГОСТ 4543-71 |
d=25 |
|
1030 |
930 |
13 |
50 |
880 |
закалка 860оС, масло; отпуск 580оС, масло |
Твердость материала 40ХМФА после отжига HB=269
Структурный класс: сталь 40ХМФА относится к перлитному классу. До термической обработки имеет ферритно-перлитную структуру.
Структура: после термической обработки получаем сорбит.
Влияние легирующих элементов на механические свойства.
Хром увеличивает прокаливаемость, способствует мелкозернистости.
Молибден существенно увеличивает прокаливаемость, способствует мелкозернистости стали и повышению свойств в поперечном направлении, препятствует хрупкости, возникающей при медленном охлаждении и процессе отжига.
Марганец существенно увеличивает прокаливаемость.
Кремний замедляет процесс разупрочнения при отпуске, увеличивает прокаливаемость, существенно улучшает механические свойства при закалке.
Ванадий повышает прочность отливок, способствует мелкозернистости стали, имеет высокую устойчивость к истиранию. Мелкокристаллическая структура обусловливает также высокую ударную вязкость и большую усталостную прочность ванадиевой стали.
Технология процесса азотирования стали 40ХМФА.
Процесс азотирования стали 40ХМФА состоит из предварительной термической обработки заготовки (закалки и высокого отпуска), механической обработки деталей, защиты участков, не подлежащих азотированию и непосредственно операции азотирования.
Предварительная термическая обработка заготовки.
Эта операция состоит из закалки и высокого отпуска стали для получения повышенной прочности и вязкости в сердцевине изделия.
До термической обработки сталь имеет перлитную структуру.
Закалка – это нагрев стали выше тоски Ас3, выдержке и последующем охлаждении со скоростью, превышающей критическую. Для стали 40ХМФА температура нагрева будет 860оС. Учитывая что критические тоски Ас1=650оС, Ас3=805оС. После нагрева мы должны выдержать и охладить сталь. Охлаждение при закалке должно обеспечивать получение структуры мартенсита и не должно вызывать закалочных дефектов: трещин, деформаций, коробления и высоких растягивающих остаточных напряжений в поверхностных слоях. Для стали 40ХМФА охлаждение проводим в масле. Масло как закалочная среда имеет следующие преимущества: небольшую скорость охлаждения в мартенситном интервале температур, что уменьшает возникновение закалочных дефектов и постоянство закаливающей способности в широком интервале температур (20-150оС). К недостаткам следует отнести повышенную воспламеняемость, недостаточную стабильность и низкую охлаждающую способность в области температур перлитного превращения, а также повышенную стоимость.
Закалка не является окончательной операцией термической обработки. Чтобы уменьшить хрупкость и напряжения, вызванные закалкой, и получить требуемые механические свойства, сталь после закалки обязательно подвергают отпуску.
Отпуском называется нагрев закаленной стали до температур ниже критической точки Ас1, выдержка при этой температуре с последующим охлаждением (обычно в 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:
Низкий отпуск – нагрев до 200оС. Применяется для снятия внутренних напряжений (структура: мартенсит опущенный).
Средний отпуск – нагрев на 250-500оС. Повышает пластичность (структура: мелкозернистая ферритно-цементитная смесь – троостит).
Высокий отпуск – нагрев до 500-680оС. Создает наилучшее соотношение прочности и вязкости стали (структура: сорбит отпуска).
Для данной стали необходимо провести высокий отпуск при температуре 580оС, 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 твердость 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 зерен 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 зерен не успеют обогатиться фосфором и охрупчивание стали наблюдаться не будет.
Таким образом, сталь 40ХМФА подвергли улучшению (термическая обработка, состоящая из закалки и высокого отпуска). В результате получили структуру сорбит.
Механическая обработка деталей, а также шлифовка и доводка, которых придают окончательные размеры детали.
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.