Свойства конструкционных материалов

Министерство образования Российской Федерации

Контрольная работа

По дисциплине

«Свойства конструкционных материалов»

Екатеринбург, 2007

Содержание

1. Сталь. Повышение качества стали переплавными методами

2. Маркировка, свойства и применение деформируемых магниевых сплавов

1. Сталь. Повышение качества стали переплавными методами

Для значительного улучшения качества стали применяют переплавные процессы, совершаемые по схеме: нагрев торца расходуемого электрода, стекание оплавленного металла в виде тонкой пленки к местам формирования капель, перенос отдельных капель в катализатор, последовательное затвердевание металла в нем, формирование наплавляемого слитка. Взвешенные частицы примесей удаляются уже на стадии пленочного течения жидкого металла по торцу электрода. Затем металл претерпевает дальнейшее рафинирование в ванне кристаллизирующегося слитка. Неметаллические включения всплывают на поверхность ванны. Кристаллизация совершается при больших температурных перепадах и значительных тепловых потоках. Это создает условия роста кристаллов, поэтому в водоохлаждаемых кристаллизаторах в основном образуются нитевидные дендритные кристаллы, на формирование которых из расплава расходуется чистый металл. Примеси оттесняют в верхнюю часть слитка. Дополнительное рафинирование металла осуществляется за счет воздействия шлака, вакуума или плазмообразующих газов. В результате структура слитков получается плотной и однородной, а металл отличается повышенными механическими свойствами и пластичностью.

Способ электрошлакового переплава. Переплаву подвергается ранее выплавленный металл. Предварительно из него изготавливают электроды 1. Электрическая цепь между электродом и наплавляемым слитком замыкается через слой расплавленного шлака 3, обладающего большим электрическим сопротивлением. При этом шлак разогревается до температур 1600…1700 С, что приводит к оплавлению конца расходуемого электрода. Капли электродного металла 4 проходят через шлаковую раковину и образуют металлическую ванну 5, которая под влиянием водоохлаждаемых поддона 7 и катализатора 2 формируется в слиток 6.

Вакуумно-дуговой переплав применяется для улучшения свойств стали вследствие обработки ее вакуумом. Вакуумная печь имеет вакуумную камеру 1. По оси камеры в ее верхней крышке смонтировано скользящее вакуумное уплотнение 2, которое обеспечивает ввод в камеру штока электродержателя 3 и его возвратно-поступательные перемещения без нарушения вакуума в камере. К штоку крепится расходуемый электрод 4, изготовляемый из слитка подготовленной к переплаву стали. Электрическая дуга в печи горит между переплавляемым электродом и ванной жидкого металла 5. В кристаллизаторе 6 накапливается жидкий металл и формирует слиток 7. Поддон 8 закрывает кристаллизатор снизу. Подверженные воздействию высоких температур кристаллизатор и поддон охлаждаются водой. Это дает возможность проводить переплав тугоплавких металлов.

Для глубокого рафинирования стали и сплавов используют установки электронно-лучевого переплава. Металл из них нагревается потоком электронов, которые, бомбардируя металл, передают его частицам часть своей кинетической энергии.

В установке используется аксиальная пушка 1, в которой фокусируется конусообразный электронный луч. В плавильной вакуумной камере 2 помимо электронной пушки размещаются расходуемый электрод 3, водоохлаждаемый кристаллизатор 4, и входящие в механизм втягивания наплавляемого слитка 5 затравка 6 и охлаждаемый водой шток. За счет концентрации электронного луча на оправляемой заготовке или на поверхности жидкой ванны создается возможность независимого управления скоростями плавления заготовки и кристаллизации слитка.

Плазменно-дуговая плавка, экономичный и перспективный способ получения стали высокого качества. Нагрев и плавление металла в плазменных печах осуществляются под действием теплоты сжатой плазменной дуги, которую получают в плазматронах. Рафинирование стали проводят на установках плазменно-дугового переплава заготовок в водоохлаждаемый кристаллизатор. Вакуумная плавильная камера 5 установки состоит их двух усеченных конусов. В верхней крышке-конусе имеется несколько отверстий, через одно из них подается переплавляемая заготовка 7, с помощью других монтируются плазмотроны 6 и контролирующие устройства.

Для более равномерного оплавления заготовка вращается. Плазмотроны располагаются радиально под углом к заготовке и кристаллизатору 4. Токоведущим водоохлаждаемым штоком 1 с затравкой 2 наплавляемый слиток 3 вытягивается из кристаллизатора.

Установки переплава стали могут иметь мощность плазмотронов до 1800 кВт, масса слитка может доходить до 5 т.

Недостатком способов рафинирования переплавом является то, что они требуют предварительной выплавки стали в другом сталеплавильном агрегате. Нужна также соответствующая подготовка для переплава материала в электроды и заготовки. Таким образом, растут потери материала, а также увеличивается его себестоимость.

Поэтому разрабатываются способы выплавки специальных качественных материалов из шихтовых материалов. Для чего используют плазменно-дуговые печи.

В плазменно-дуговых печах с керамическим тиглем электрическая дуга горит между плазмотроном или специально заделанным в подину электродом. Высокая концентрация теплоты в плазменной дуге приводит к быстрому нагреву и расплавлению шихты. Контролируемая атмосфера, отсутствие шлака или легкая корректировка его состава дают возможность быстро усвоить легирующие добавки, легирующий или рафинирующий газы.

Открытые индукционные печи считают одними из наиболее совершенных этапов электрических печей. Они бывают двух типов: с сердечником и без него. В печах первого типа металл располагается в кольцевом желобе вокруг индуктора, а внутри индуктора проходит сердечник. Эти печи используют для плавления легкоплавких цветных сплавов.

Второй тип - индукционные тигельные сталеплавильные печи без сердечника. Водоохлаждаемый индуктор 3 служит для создания переменного магнитного потока, который пронизывая куски металлической шихты в тигле 8, наводит в них вихревые токи и разогревает металл 4 до температуры плавления и необходимой температуры перегрева. На поверхности металла наводится шлаковая защита 5, шлак шлак также сохраняет теплоту металлической ванны. Крышка печи 6 предназначена для уменьшения тепловых потерь металлом и шлаком. Тигель изготавливают из кислых огнеупорных материалов. Индуктор и его каркас 1,2 закрепляют тигель при повороте печи с помощью цапф механизма наклона 7. Тигель и индуктор установлены на подину 9 и тепловую изоляцию 10.

В индукционных вакуумных печах сталь подвергается глубокой дегазации и более полному раскислению посредством длительной обработки вакуумом и электромагнитного перемешивания расплава.

2. Маркировка, свойства и применение деформируемых магниевых

сплавов

Магний - металл серебристо-белого цвета с плотностью 1,74 Мг/м3 и температурой плавления 651 С; имеет гексагональную плотноупакованную кристаллическую решетку; аллотропических превращений не имеет.

Магний - химический активный металл, на воздухе окисляется о образованием оксидной пленки MgO, не обладающей защитными свойствами. Эта пленка растрескивается из-за более высокой плотности (3,2 Мг/м3), чем у самого магния. Магний в слитках, а так же изделия из магниевых сплавов не огнеопасны. Опасность может магний в виде стружки, порошка или пыли. Взаимодействие воды с горячим расплавленным магнием сопровождается взрывом.

Пластическая деформация магния и его сплавов происходит при повышенных температурах. Следует отметить очень хорошую обрабатываемость резанием магния и его сплавов. Магний и его сплавы легко свариваются, в особенности аргонодуговой сваркой. Механические свойства прокатного и отожженного магния: ув =180 МПа; у0,2 =100 МПа; д = 15%; НВ 30.

Примеси железа, никеля, кобальта и меди снижают коррозийную стойкость магния и сплавов на его основе.

Магний используется главным образом для получения сплавов на его основе и легирования алюминиевых сплавов. Благодаря большой химической активности к кислороду магний применяют в качестве раскислителя в производстве стали и цветных сплавов, а также для получения трудновосстанавливаемых металлов (титана, циркония, ванадия, уран и др.). Его используют также для получения высокопрочного модифицированного чугуна. В химической промышленности порошкообразный магнии применяют для обезвоживания органических веществ (спирта, аналина и др.), а также для получения тэтраэтилвинца, тетраметила и других препаратов, применяемых в качестве добавок к нефтепродуктам и в фармакологии.

На основе магния созданы сплавы с особыми физическими и химическими свойствами. Из них изготавливают аноды для источников тока, детали машин с высокими демпфирующими свойствами и др.

Для получения сплавов к магнию добавляют различные элементы, повышающие его свойства. К основным легирующим элементам относятся алюминий, цинк и марганец.

Согласно рентгеновским исследованиям может быть марганцевая фаза в. Введение марганца в магний практически не оказывает влияния на прочностные характеристики, но снижает пластичность и вместе с тем повышает сопротивление коррозии и улучшает свариваемость.

В области сплавов, богатых магнием, диаграмма состояния Mg-Al представляет собой диаграмму эквектического типа с температурой эквектики 436 С и содержанием алюминия 32,3%. В равновесии с б-твердым раствором находится фаза Mg37Al12. Растворимость алюминия в твердом магнии составляет при эквектической температуре 12,6%, которая с понижением температуры уменьшается, и при температуре 150 С составляет около 2,3%. Содержание алюминия в сплавах дл 6…7% приводит к повышению прочности и пластичности. При большем содержании алюминия прочность резко падает.

Магний с цинком. Диаграмма состояния Mg-Zn в области сплавов, богатых цинком, имеет эквектический характер. Экветика образуется при 343 С и содержании цинка 51,6%. При температуре ниже 330 С в равновесии с магниевым твердым раствором находится соединение MgZn. Растворимость цинка при 343 С в твердом магнии составляет 8,4%, которая с понижением температуры снижается и при 150 С равна 1,7%. Свойства сплавов магния, содержащих цинк, изменяются по сложной кривой. Максимальные значения механических характеристик отвечают содержанию цинка 4…6%. Для измельчения зерна, повышения механических свойств и коррозийной стойкости магниево-цинковых сплавов к ним добавляют небольшие количества циркония и ЩЗМ (церия и др.).

Магниевые сплавы разделяют на литейные и деформируемые. Деформируемые сплавы используют для получения полуфабрикатов и изделий путем пластической деформации (прокатка. Ковка, штамповка и тд.). Деформируемые магниевые сплавы маркируются двумя буквами МА. За буквам МА ставятся цифры, указывающие номер сплава.

К деформируемым относят следующие магниевые сплавы: на основе Mg-Mn (МА1; МА8; ув=240…260 МПа, д=5…12%); на основе Mg-Al-Zn (МА2, МА5 и др.; ув =260…310 МПа, д=8…12%); на основе Mg-Nd (MA12; ув =280 МПа, д=10%); на основе Mg-Zn-Zr (МА14; ; ув =350 МПа, д=14%) и др.

Благодаря малой плотности сплавы на основе магния по удельной прочности превосходят некоторые конструкционные стали, чугуны и алюминиевые сплавы. При замене алюминиевых сплавов магниевыми на 25…30% снижается масса детали. Магниевые сплавы хорошо поглощают вибрации, что очень важно для авиации, транспорта и текстильной промышленности. Удельная вибрационная прочность магниевых сплавов с учетом демпфирующей способности почти в 100 раз больше, чем у дуралюмина, и в 20 раз больше, чем у легированной стали.

Большую выгоду дает применение магниевых сплавов в деталях, работающих на продольный или поперечный изгиб. Магний и его сплавы на его основе немагнитны и не дают искры при ударах и трении. Магниевые сплавы представляют собой интерес для конструкций, где масса является решающей (авиация, космическая и ракетная техника, транспортное машиностроение). Они применяются в приборостроении, радиотехнике, текстильной и полиграфической промышленности.

Список литературы

1. Дриц М.Е., Москалев М.А. Технология конструкционных материалов и материаловедение. - М.: Высш. Шк., 1990.

2. Лахтин Ю.М., Леонтьева В.И. Материаловедение. М.: Машиностроение, 1990.