Стали и их сплавы

Размещено на http://www.allbest.ru/

Содержание

Упрочнение стали при легировании

Металлокерамические твердые сплавы

Титан и его сплавы

Дефекты литья и их предупреждения

Список используемой литературы



Упрочнение стали при легировании

Влияние легирующих элементов на строение и свойства стали. Маркировка легированных сталей и их классификация по структуре и назначению. Области применения конструкционных материалов и инструментальных легированных сталей. Стали и сплавы с особыми свойствами - нержавеющие, жаропрочные, магнитные, сплавы с особыми физическими свойствами. Мартенситно-стареющие стали. Порошковые сплавы. Антифрикционные и металлокерамические сплавы. Их составы, свойства и области применения. Композиционные материалы, их свойства и области применения. Перспективные пути повышения технических характеристик сплавов.

Для расширения диапазона механических и физико-химических свойств в сталь вводят специальные добавки - легирующие элементы. При освоении этого раздела следует учитывать, что действие легирующих элементов на свойства стали связано с изменением диффузионных характеристик, видов и скоростей фазовых превращений. По этим причинам изменяется критическая скорость закалки и прокаливаемость. Изменяются и свойства фазовых составляющих легированных сталей. Поэтому мартенситные превращения, процессы отпуска протекают в них, по сравнению с простыми сталями, в иных температурных интервалах. Чем выше концентрация легирующих элементов в стали, тем сложнее их влияние.

Для каждой группы легированных конструкционных сталей следует знать: требования, предъявляемые к свойствам сталей, области их применения, режимы термической обработки. Свойства сталей зависят и от температуры. В этой связи следует освоить понятие теплостойкость легированных сталей, особенно быстрорежущих, и разработаться в режимах их термической обработки. При изучении сталей и сплавов с особыми химическими свойствами следует обратить внимание на то, что они подразделены на три группы: коррозионностойкие или нержавеющие, жаростойкие (окалиностойкие) и жаропрочные. Следует обратить внимание на особую роль хрома в этой группе сталей.

Большой интерес представляют стали и сплавы с особыми физическими свойствами, так как они находят широкое применение в электротехнике. К этой группе сплавов с особыми магнитными свойствами, в частности, относятся магнитотвердые и магнитомягкие сплавы, сплавы с высоким омическим сопротивлением, с заданным коэффициентом теплового расширения и др. Здесь следует отметить, что сплавы, хорошо «работающие» при комнатных температурах, во многих случаях не обладают удовлетворительными свойствами, как при низких, так и при повышенных температурах. Следует ознакомиться также с керметами и композиционными материалами, их отличительными особенностями, свойствами и областями применения.

Металлокерамические твердые сплавы

Металлокерамические твердые сплавы разделяют на 3 группы: вольфрамокобальтовые, титановольфрамокобальтовые и танталотитановольфрамокобальтовые. Эти сплавы отличаются высокой твердостью, износостойкостью и теплостойкостью, сохраняя свои режущие свойства почти до 1000⁰С.

Эти сплавы получают методом порошковой металлургии. Вначале получают порошки Со, WC, TiC, TaC, составляют из них шихту требуемого состава, прессуют для получения пластинок нужной формы и спекают при высокой температуре в атмосфере водорода (для предотвращения окисления). Полученные пластинки напаивают на инструмент латунным прибоем или закрепляют механическим путем. Строение такого сплава показано на рис.28.

Вольфрамокобальтовые сплавы состоят из карбидов вольфрама (WС) и кобальта, служащего связкой. Сплавы обозначаются буквами ВК и цифрой, показывающей содержание кобальта в процентах. Чем больше в сплаве кобальта, тем меньше твердость и больше вязкость. Эти сплавы предназначены в основном для обработки чугуна, сплавов цветных металлов и неметаллических материалов. Сплав ВК15 широко применяется для обработки древесины, так как из-за высокого содержания кобальта более вязкий и менее склонен к хрупким разрушениям при ударах в процессе работы.

Титановольфрамокобальтовые сплавы состоят из карбидов вольфрама и титана, соединенных кобальтом. Марки сплавов обозначаются буквами ТК. Цифры показывают соответственно содержание карбида титана и кобальта в %. Остальная часть состава приходится на карбид вольфрама.

Танталотитановольфрамокобальтовые сплавы предназначены для обработки отливок и поковок и термически обработанных сталей. Эти сплавы содержат карбиды тантала, титана и вольфрама. Марки обозначают буквами ТТК и цифрами. Цифра, стоящая после букв ТТ, показывает суммарное содержание карбидов титана и тантала в процентах, цифра после К - содержание кобальта.

Титан и его сплавы.

Титан широко распространен в земной коре, где его содержится около 6 %, а по распространенности он занимает четвертое место после алюминия, железа и магния. Однако промышленный способ его извлечения был разработан лишь в 40-х годах ХХ века. Благодаря прогрессу в области самолето- и ракетостроения производство титана и его сплавов интенсивно развивалось. Это объясняется сочетанием таких ценных свойств титана, как малая плотность, высокая удельная прочность (s в/r ? g), коррозионная стойкость, технологичность при обработке давлением и свариваемость, хладостойкость, немагнитность и ряд других ценных физико-механических характеристик, приведенных ниже.

Характеристики физико-механических свойств титана (ВТ1-00)

Плотность r , кг/м3  4,5 * 10-3 Температура плавления Тпл, ° С  1668± 4 Коэффициент линейного расширения a * 10-6, град-1  8,9 Теплопроводность l , Вт/(м * град)  16,76 Предел прочности при растяжении s в, МПа  300-450 Условный предел текучести s 0,2, МПа 250-380 Удельная прочность (s в/r * g)* 10-3, км  7-10 Относительное удлинение d , %  25-30 Относительное сужение Y , %  50-60 Модуль нормальной упругости Е* 10-3, МПа  110,25 Модуль сдвига G* 10-3, МПа  41 Коэффициент Пуассона m , 0,32 Твердость НВ  103 Ударная вязкость KCU, Дж/см2  120

Титан имеет две полиморфные модификации: a -титана с гексагональной плотноупакованной решеткой с периодами а = 0,296 нм, с = 0,472 нм и высокотемпературную модификацию b -титана с кубической объемно-центрированной решеткой с периодом а = 0,332 нм при 900 ° С. Температура полиморфного a « b -превращения составляет 882 ° С.

Механические свойства титана существенно зависят от содержания примесей в металле. Различают примеси внедрения -- кислород, азот, углерод, водород и примеси замещения, к которым относятся железо и кремний. Хотя примеси повышают прочность, но одновременно резко снижают пластичность, причем наиболее сильное отрицательное действие оказывают примеси внедрения, особенно газы. При введении всего лишь 0,003 % Н, 0,02 % N или 0,7 % О титан полностью теряет способность к пластическому деформированию и хрупко разрушается. Особенно вреден водород, вызывающий водородную хрупкость титановых сплавов. Водород попадает в металл при плавке и последующей обработке, в частности при травлении полуфабрикатов. Водород малорастворим в a -титане и образует пластинчатые частицы гидрида, снижающего ударную вязкость и особенно отрицательно проявляющегося в испытаниях на замедленное разрушение. Поэтому содержание примесей, особенно газов, в титане и титановых сплавах строго ограничено. Промышленный способ производства титана состоит в обогащении и хлорировании титановой руды с последующим его восстановлением из четыреххлористого титана металлическим магнием (магнийтермический метод). Полученный этим методом титан губчатый (ГОСТ 17746-79) в зависимости от химического состава и механических свойств выпускают следующих марок: ТГ-90, ТГ-100, ТГ-110, ТГ-120, ТГ-130, ТГ-150, ТГ-ТВ. Цифры означают твердость по Бринеллю НВ, ТВ -- твердый.

Для получения монолитного титана губка размалывается в порошок, прессуется и спекается или переплавляется в дуговых печах в вакууме или атмосфере инертных газов. Механические свойства титана характеризуются хорошим сочетанием прочности и пластичности. Например, технически чистый титан марки ВТ1-0 имеет: s в = 375-540 МПа, s 0,2 = 295-410 МПа, d ? 20 %, и по этим характеристикам не уступает ряду углеродистых и Cr - Ni коррозионностойких сталей. Высокая пластичность титана по сравнению с другими металлами, имеющими ГПУ - решетку (Zn, Mg, Cd), объясняется большим количеством систем скольжения и двойникования благодаря малому соотношению с/а = 1,587. По-видимому, с этим связана высокая хладостойкость титана и его сплавов. При повышении температуры до 250 ° С прочность титана снижается почти в 2 раза. Однако жаропрочные Ti-сплавы по удельной прочности в интервале температур 300-600 ° С не имеют себе равных; при температурах выше 600 ° С сплавы титана уступают сплавам на основе железа и никеля. Титан имеет низкий модуль нормальной упругости (Е = 110,25 ГПа) -- почти в 2 раза меньше, чем у железа и никеля, что затрудняет изготовление жестких конструкций. Титан относится к числу химически активных металлов, однако он обладает высокой коррозионной стойкостью, так как на его поверхности образуется стойкая пассивная пленка TiO2, прочно связанная с основным металлом и исключающая его непосредственный контакт с коррозионной средой. Толщина этой пленки обычно достигает 5-6 нм. Благодаря оксидной пленке, титан и его сплавы не корродируют в атмосфере, в пресной и морской воде, устойчивы против кавитационной коррозии и коррозии под напряжением, а также в кислотах органического происхождения. Производство изделий из титана и его сплавов имеет ряд технологических особенностей. Из-за высокой химической активности расплавленного титана его плавку, разливку и дуговую сварку производят в вакууме или в атмосфере инертных газов. При технологических и эксплуатационных нагревах, особенно выше 550-600° С, необходимо принимать меры для защиты титана от окисления и газонасыщения (альфированный слой). Титан хорошо обрабатывается давлением в горячем состоянии и удовлетворительно в холодном. Он легко прокатывается, куется, штампуется. Титан и его сплавы хорошо свариваются контактной и аргонодуговой сваркой, обеспечивая высокую прочность и пластичность сварного соединения. Недостатком титана является плохая обрабатываемость резанием из-за склонности к налипанию, низкой теплопроводности и плохих антифрикционных свойств. Основной целью легирования титановых сплавов является повышение прочности, жаропрочности и коррозионной стойкости. Широкое применение нашли сплавы титана с алюминием, хромом, молибденом, ванадием, марганцем, оловом и др. элементами. Легирующие элементы оказывают большое влияние на полиморфные превращения титана.

Дефекты литья и их предупреждение

сталь легирование титан литье

Раковины

Виды раковин. Наиболее частым видом литейного брака являются всевозможные раковины. Они выявляются большей частью только в процессе механической обработки отливок.

Раковины бывают газовые, усадочные (рыхлость и пористость), песочные и шлаковые.

Раковины газовые. Газовые раковины - это сферические или округленные пустоты с гладкой блестящей (у закрытых) или окисленной (у открытых) поверхностью, расположенные снаружи отливки или внутри ее.

Газовые раковины, образовавшиеся за счет плохого качества металла, чаще всего имеют малые размеры и разбросаны по всей массе отливки. Газовые раковины, образовавшиеся за счет дефектов форм и неправильной технологии заливки, концентрируются чаще всего на отдельных определенных участках формы и находятся на небольшой глубине от поверхности или стержня.

Причины образования газовых раковин следующие:

1. Выделение газов из металла вследствие уменьшения растворимости их в металле при его кристаллизации. Пузырьки газа стремятся всплыть на поверхность, часть их не успевает уйти за пределы отливки и остается в ней в виде газовых раковин.

2. Конструкция формы с такими поверхностями, которые затрудняют удаление скопившихся газов. Это вызывает образование раковин на поверхности отливки.

3. Плохая газопроницаемость формовочной смеси, в частности для стержней, при большом газообразовании.

4. Неудачный состав переплавляемой шихты, загрязненной ржавчиной, серой, водородом, исходным металлом, уже насыщенным газом, замасленной стружкой, а также присутствие в шихте влаги и чрезмерное содержание серы в коксе, нефти (в мазуте) и в сланцевом масле, если оно служит топливом.

5. Неправильное ведение плавки, вызывающее насыщение металла газом в процессе плавки, если металл плохо раскислен.

6. Слишком большая скорость заливки форм. Когда скорость заполнения формы металлом больше скорости отвода из нее газов, оставшиеся газы вызывают в отливках образование газовых раковин. Чем меньше скорость заливки, тем больше остается времени для удаления газов и воздуха через поры и вентиляционные каналы формы. При этом отпадает опасность прохождения газов через жидкий металл.

7. Неудачные способ заполнения формы - заливка прерывающейся струей. При быстрой заливке металла в форму сверху образуются брызги; они окисляются и при отливке чугуна и стали могут вызвать появление раковин за счет выделения окиси углерода при восстановлении окислов железа углеродом. Алюминиевая бронза и алюминиевые сплавы при заливке форм сверху вспениваются. Это также вызывает в отливке газовые раковины.

8. Недостаточное сечение или неправильное расположение выпора.

9. Насыщение чугуна в вагранке газами при избыточном количестве влаги в воздухе, подаваемом в вагранку.

10. Недостаточно горячий металл может содержать газовые пузыри, не успевающие выделиться при охлаждении металла.

11. Разливка металла в плохо высушенный и недостаточно нагретый ковш. Носок ковша должен быть особенно хорошо высушен перед разливкой.

12. Излишняя влажность формовочной смеси в отдельных местах, если форму приходится исправлять после выемки модели.

13. Чрезмерное уплотнение земли и заглаживание формы, уменьшающей газопроницаемость.

14. Ржавая поверхность холодильников и кокилей, которая при соприкосновении с жидким чугуном реагирует с углеродом металла, образуя окись углерода (СО).

15. Неправильная конструкция литниковой системы, при которой возможно засасывание воздуха или неспокойное поступление металла в форму, врыв струи, образование вихрей и неправильное вентилирование газов из стержней (направление вниз или навстречу поступающему в форму жидкому металлу).

16. Заливка струей с большой высоты, когда происходит засасывание воздуха, вспенивание и разбрызгивание металла (с образованием "корольков").

17. Газы, выделяющиеся вследствие химической реакции в самом металле. Сернистый газ (SO₂) обычно вступает в реакцию с медью, образуя закись меди (Cu ₂O) и сернистую медь(Cu ₂S):SO ₂ + 6Cu <> Cu ₂S + 2Cu ₂O. Реакция эта, однако, может идти в обоих направлениях в зависимости от концентрации участвующих веществ. От взаимодействия сернистой меди с закисью меди может выделяться сернистый газ, нерастворимый в металле и дающий крупные пузыри. Такие случаи нередко имеют место в заводской практике и особенно опасны при разливки красной меди. Мелкие газовые пузырьки могут получиться на поверхности отливки из бронзы с примесью свинца. Эта газовая пористость происходит при окрашивании формы краской, содержащей графит. Окислы свинца в бронзе восстанавливаются графитом с выделением окиси углерода на поверхности отливки, соприкасающейся с графитовой краской. При замене графита тальком (3MgO * 4SiO sub>2 * H sub>2O) источником газовой пористости может явиться кристаллизационная вода, выделение которой при температуре бронзы, залитой в форму, вызывает повышенную пористость на поверхности отливки. Предварительное прокаливание талька до 1000^o обеспечивает удаление кристаллизационной воды. Тогда газовой пористости на поверхности отливки не получится. Растворенный в никеле кислород, действуя на углерод и серу, образует с ними СО и SO₂, вызывающие газовые раковины.

18. Газы, образующиеся от избытка смазки металлической формы при заливке в нее жидкого металла.

19. Газы, выделяющиеся из трещин на изношенных металлических формах (адсорбированные газы в трещинах изложниц).

20. Поглощение сернистого газа, образующегося при горении кокса, содержащего серу, при плавке в вагранку бронзы (что иногда практикуется в литейных).

Бронзой поглощаются и другие газы, всегда присутствующие в атмосфере вагранки (азот, кислород, углекислый газ, водяные пары, окись углерода, водород, углеводороды, летучая сера, сероводород и др.)

21. Выделение водорода и окиси углерода сплавами, содержащими магний, цинк, алюминий, кремний, при действии водяного пара и углекислого газа, например:

Mg + H₂O = MgO + H₂;

Zn + H₂O = ZnO + H₂;

2Al + 3CO2 = Al₂O₃ + 3CO;

Si + 2CO₂ = SiO₂ + 2СО,

22. Плохо обожженный древесный уголь, вследствие дополнительной перегонки выделяющей на поверхности расплавленного металла углеводороды и водород. Водород может при этом поглощаться хорошо раскисленным сплавом, например, алюминиевой бронзой, кремнистой латунью, и отливка окажется пузыристой.

23. Насыщенный газами исходный металл для переплавки. В процессе переплавки в вагранке такого насыщенного газами металла газы передаются литью как бы по наследству.

Раковине усадочные (рыхлость и пористость). Усадочные раковины имеют вид углублений и пустот неправильной формы, образующихся в тех метах отливки, где металл затвердевает в последнюю очередь. Иногда вместо концентрированных усадочных раковин наблюдается местная рыхлость и пористость, вследствие которых отливки не выдерживают давления при гидравлическом испытании и бракуются.

Основной причиной образования усадочных раковин является уменьшение объема металла при затвердевании и дальнейшем охлаждении. Размер усадочных раковин зависит от степени (величины) усадки и от температуры заливки металла в форму (высокая температура заливки устанавливает объем усадочных раковин), а также от конструкции и размеров отливки и от скорости заполнения формы. Меры предупреждения. В тех частях отливок, где следует ожидать образования раковин, в формах устраивают соответствующие прибыли, из которых в период усадки отливка питается жидким металлом. Металл в прибыли должен затвердевать в последнюю очередь. Для устранения пористости применяют холодильники, ускоряющие затвердевание металла в соответствующих зонах. Усадочные раковины и рыхлость можно устранять изменением конструкции формы, уменьшая скопления металла в отдельных ее частях.

Трещины

Трещины бывают сквозные или несквозные, так называемые надрывы на поверхности отливок. Отличительные признаки. Горячие трещины от внутренних напряжений образуются в то время, когда металл еще не остыл, за счет его повышенной усадки. Холодные трещины представляют собой разрыв металла в конце остывания за счет проявления внутренних напряжений, обусловленных усадкой. У горячих трещин, проявляющихся при высоких температурах, поверхность излома всегда бывает окислена, а у холодных - чистая поверхность или иногда покрыта легкими цветами побежалости.

Причины образования. Причинами образования трещин могут служить:

1. Неправильная конструкция самой отливки (резкие переходы в толщине, отсутствие галтелей или несоответствующий радиус их округлений).

2. Механическое сопротивление со стороны формы, стержней и каркасов, препятствующих свободной усадке.

3. Неправильная литниковая система (местный перегрев отливки).

4. Неправильные размеры и расположение холодильников, прибылей и выпоров.

5. Чрезмерно высокая температура заливки и вредные примеси в металле.

Иногда бывает достаточно даже легкого удара во время выбивки из опок, при обрубки или при небрежном обращении во время транспортировки, чтобы отливка дала трещину.

Меры предупреждения. Для устранения возможности возникновения трещин необходимо сводить к минимуму внутренние напряжение в отливке. Для этого нужно применять следующие меры.

1. Конструировать отливки так, чтобы они допускали по возможности свободную усадку по всем направлениям.

2. Стремиться заливать металл в сырую форму - более податливую, чем сухая.

3. Разница в толщинах сопрягающихся стенок должна быть минимальной. Сложную отливку лучше составлять из нескольких частей, соединяемых затем в одно целое.

4. Радиус галтелей рекомендуется делать от 1/6 до 1/3 толщины соединяемых сечений. Размер радиусов галтелей следует выбирать равным 1; 2; 3; 5; 8; 10; 15; 20; 25; 30 и 40 мм.

5. В случае неизбежности неравномерного сечения в отливке ее следует конструировать так, чтобы массивные и тонкие части могли сокращаться при усадке, не мешая друг другу (например, следует применять пружинящие изогнутые спицы маховиков и зубчатых колес вместо прямых). Подводом металла в тонкие или в кварцевые части отливки можно выровнять скорость охлаждения их более массивных и центральных частей.

6. Применять металлические холодильники и холодильные формовочные смеси с повышенной теплопроводностью (хромистый железняк), способствующие предупреждению пороков усадочного характера. Смесью из хромистого железняка обкладывают те части формы (внутренние углы, стенки массивных частей), остывание которых нужно ускорить. Холодильная формовочная смесь удобнее металлических холодильников, так как ей легко придать любую форму при обкладывании моделей самой сложной конфигурации. Меняя толщину слоя смеси, можно регулировать скорость остывания различных частей отливки как с наружной, так и с внутренней стороны.

7. Для борьбы с горячими трещинами от растягивающих усилий при усадки между смежными частями (например, фланцы, трубы, корпуса, краны паровой арматуры и т.п.) применять специальную высокоподатливую формовочную массу, а литниковую систему делать так, чтобы струя горячего металла не давала чрезмерных местных перегревов формы.

Борьба с браком в литейных цехах

Предупреждение брака. Литейный брак приносит нашему народному хозяйству огромнейший ущерб, даже при условии использования забракованного литья в качестве шихтового возврата. Этот ущерб велик, если учесть потери дефицита цветного металла. Только понимание сущности производства может помочь при всех условиях находить истинную причину брака и пути к его устранению. Глубокое понимание технологии дает возможность изменять способы производства и вводить новые. Борьба с браком может быть успешной только в том случае, когда выявлены причины его и найдены способы устранения.

Способы снижения брака в литейной следующие:

1. Тщательное контролирование исходных материалов (шихты, формовочных земель и других видов сырья).

2. Выбор правильной технологии (формовка, плавка, заливка и т.д.)

3. Детальный инструктаж исполнителей с применением авторегулировки и контрольной аппаратуры (пирометров и пр.)

4. Строгая технологическая и организационная дисциплина.

5. Правильная организация технического контроля отливок.

6. Тщательный анализ изучение видов и предлагаемых причин брака.

7. Широкое внедрение различных методов исправления дефектов отливок.

8. совместная работа литейщиков и конструкторов, так как литейный брак нередко зарождается еще на столе конструктора.

Способы исправления литейного брака.

Во многих литейных существуют специальные отделы для исправления литейного брака, когда такое исправление технически и экономически целесообразно и не отражается на качестве изделий. Способы исправления литейного брака следующие:

1. Небольшая течь отливки, обнаруженная при испытании гидравлическим давлением, устраняется путем заварки, термической обработки (отжигом), пропитки под давлением бакелитовым лаком с последующей термической обработкой при температуре до 150-180 ^oC или запрессовкой в поры растворов различных веществ.

2. Заделка мелких трещин и раковин путем нанесения металла с помощью аппарата ЛК-2 или другого.

3. Газовая или электродуговая заварка пороков отливки после удаления дефектной части металла. Этот способ в последнее время применяется чаще других.



Список используемой литературы

1. Травин О.В., Травина Н.Т. Материаловедение. - М.: Металлургия, 1989, с. 384

2. Материаловедение. / Под ред. Б.Н. Арзамасова. - М.: Машиностроение, 1986, с. 384.

3. Лахтин Ю.М., Леонтьева В.П. Материаловедение. - М.: Машиностроение, 1980, с. 493.

4. Архипов В.В. Технология металлов и других конструкционных материалов. - М.: Высшая школа, 1968, с. 513.

5. Технология металлов и материаловедение. / Под ред. Л.Ф. Усовой /. - М.: Металлургия, 1987, с. 800.

6. Гуляев А.П. Материаловедение. - М.: Машиностроение, 1987, с. 647.

7. Малов А.Н., Законников В.П. и др. Общетехнический справочник. - М.: Машиностроение, 1982, с. 415.

8. Шлямнев А.В., Свистунова Т.В. и др. - Коррозионностойкие, жаростойкие и высокопрочные стали и сплавы. Справочник. - М.: 2000.

Размещено на Allbest.ru