Основы материаловедения

Размещено на http://www.allbest.ru

Министерство образования и науки Российской Федерации

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования

«Национальный исследовательский Томский политехнический Университет»

Институт

дистанционного образования

Индивидуальное домашнее задание

Вариант 25

по дисциплине

Конструкционное материаловедение

Томск 2012



Вариант 25

1. Какие из распространенных металлов имеют объемноцентрированную кубическую решетку? Начертите элементарную ячейку, укажите ее параметры, координационное число

В кубической объемноцентрированной решетке (ОЦК) атомы расположены в вершинах куба и один атом в центре объема куба. кубическую объемно центрированную решетку имеют металлы: Pb, K,Na, Li, Tiв, Zrв, Ta, W, V, Feб, Cr, Nb, Ba и др.

Рисунок 1 - ОЦК решетка

Расстояние а между центрами ближайших атомов в элементарной ячейке называется периодом решетки ОЦК. Например, для Zrв а = 3,61 нм.

Под координационным числом (К) понимают число атомов, находящихся на равном и наименьшем расстоянии от данного атома. Для ОЦК К = 8.



2. Укажите назначение и выбор режима рекристаллизационного отжига. Рассмотрите на примере алюминия

Рекристаллизация - процесс зарождения и роста новых недеформированных зерен при нагреве наклепанного металла до определенной температуры.

Рекристаллизационный отжиг используют в промышленности как первоначальную операцию перед холодной обработкой давлением (для придания материалу наибольшей пластичности), как промежуточный процесс между операциями холодного деформирования (для снятия наклепа) и как окончательную (выходную) термическую обработку (для придания полуфабрикату или изделию необходимых свойств).

Нагрев деформированного металла ведет к повышению подвижности атомов, и среди вытянутых зерен идет интенсивное зарождение и рост новых равновесных свободных от напряжений зерен. Новые зерна растут за счет старых, вытянутых, до их столкновения друг с другом и до полного исчезновения вытянутых зерен. При нагреве по достижении температуры начала рекристаллизации предел прочности и особенно текучести резко снижаются, а пластичность увеличивается. Для устранения наклепа необходим отжиг. Основные цели отжига: перекристаллизация стали (измельчение зерна), снятие внутренних напряжений, снижение твердости и улучшение обрабатываемости.



3. Вычертите диаграмму состояния железо-карбид железа, укажите структурные составляющие во всех областях диаграммы, опишите превращения и постройте кривую охлаждения (с применением правила фаз) для сплава, содержащего 3,5 % С. Какова структура этого сплава при комнатной температуре и как такой сплав называется?

Первичная кристаллизация сплавов системы железо-углерод начинается по достижении температур, соответствующих линии ABCD (линии ликвидус), и заканчивается при температурах, образующих линию AHJECF (линию солидус).

При кристаллизации сплавов по линии АВ из жидкого раствора выделяются кристаллы твердого раствора углерода в б-железе (д-раствор). Процесс кристаллизации сплавов с содержанием углерода до 0,1 % заканчивается по линии АН с образованием б (д)-твердого раствора. На линии HJB протекает перитектическое превращение, в результате которого образуется твердый раствор углерода вг-железе, т. е. аустенит. Процесс первичной кристаллизации сталей заканчивается по линии AHJE.

При температурах, соответствующих линии ВС, из жидкого раствора кристаллизуется аустенит. В сплавах, содержащих от 4,3 % до 6,67 % углерода, при температурах, соответствующих линии CD, начинают выделяться кристаллы цементита первичного. Цементит, кристаллизующийся из жидкой фазы, называется первичным. B точке С при температуре 1147°С и концентрации углерода в жидком растворе 4,3 % образуется эвтектика, которая называется ледебуритом. Эвтектическое превращение с образованием ледебурита можно записать формулой ЖР4,3Л[А2,14+Ц6,67]. Процесс первичной кристаллизации чугунов заканчивается по линии ECF образованием ледебурита.

Таким образом, структура чугунов ниже 1147°С будет: доэвтектических - аустенит+ледебурит, эвтектических - ледебурит и заэвтектических - цементит (первичный)+ледебурит.

Превращения, происходящие в твердом состоянии, называются вторичной кристаллизацией. Они связаны с переходом при охлаждении г-железа в б-железо и распадом аустенита.

Линия GS соответствует температурам начала превращения аустенита в феррит. Ниже линии GS сплавы состоят из феррита и аустенита.

Линия ЕS показывает температуры начала выделения цементита из аустенита вследствие уменьшения растворимости углерода в аустените с понижением температуры. Цементит, выделяющийся из аустенита, называется вторичным цементитом.

В точке S при температуре 727°С и концентрации углерода в аустените 0,8 % образуется эвтектоидная смесь состоящая из феррита и цементита, которая называется перлитом. Перлит получается в результате одновременного выпадения из аустенита частиц феррита и цементита. Процесс превращения аустенита в перлит можно записать формулой А0,8П[Ф0,03+Ц6,67].

Линия PQ показывает на уменьшение растворимости углерода в феррите при охлаждении и выделении цементита, который называется третичным цементитом.

Следовательно, сплавы, содержащие менее 0,008% углерода (точкаQ), являются однофазными и имеют структуру чистого феррита, а сплавы, содержащие углерод от 0,008 до 0,03% - структуру феррит+цементит третичный и называются техническим железом.

Доэвтектоидные стали при температуре ниже 727єС имеют структуру феррит+перлит и заэвтектоидные - перлит+цементит вторичный в виде сетки по границам зерен.

В доэвтектических чугунах в интервале температур 1147-727єС при охлаждении из аустенита выделяется цементит вторичный, вследствие уменьшения растворимости углерода(линия ES). По достижении температуры 727єС (линия PSK) аустенит, обедненный углеродом до 0,8% (точка S), превращаясь в перлит. Таким образом, после окончательного охлаждения структура доэвтектических чугунов состоит из перлита, цементита вторичного и ледебурита превращенного (перлит+цементит).

Структура эвтектических чугунов при температурах ниже 727єС состоит из ледебурита превращенного. Заэвтектический чугун при температурах ниже 727єС состоит из ледебурита превращенного и цементита первичного.

Правило фаз устанавливает зависимость между числом степеней свободы, числом компонентов и числом фаз и выражается уравнением:

C = K + 1 - Ф,

где С - число степеней свободы системы;

К - число компонентов, образующих систему;

1 - число внешних факторов (внешним фактором считаем только температуру, так как давление за исключением очень высокого мало влияет на фазовое равновесие сплавов в твердом и жидкомсостояниях);

Ф - число фаз, находящихся в равновесии.

Сплав железа с углеродом, содержащий 3,5 %С, называется доэвтектическим чугуном.

Его структура при комнатной температуре - перлит + цементит + ледебурит (П+Ц).



а) б)

Рисунок 2: а-диаграмма железо-цементит,

б-кривая охлаждения для сплава, содержащего 3,5% углерода

4. В структуре углеродистой стали 30 после закалки не обнаруживается остаточного аустенита, а в структуре стали У12 наблюдается до 30% остаточного аустенита. Объясните причину этого явления. Какой обработкой можно устранить остаточный аустенит?

Закалкой называется нагрев стали до температуры выше фазовых превращений, выдержка при этой температуре и быстрое охлаждение со скоростью больше критической. Минимальная скорость охлаждения, при которой аустенит превращается в мартенсит без структур перлитного типа, называется критической скоростью закалки.

Превращение аустенита в мартенсит начинается при определенной температуре, называемой температурой начала мартенситного превращения и обозначаемой Мн. Для того чтобы мартенситное превращение протекало, необходимо непрерывное охлаждение аустенита ниже точки Ми. Если охлаждение прекратить, то превращение аустенита в мартенсит остановится.

По достижении определенной температуры дальнейшее превращение аустенита в мартенсит прекращается. Эта температура называется концом мартенситного превращения и обозначается Мк.Положение температур (точек) Мн и Мк не зависит от скорости охлаждения и определяется химическим составом стали. Чем больше углерода в аустените, тем ниже располагаются эти температуры.

стали" width="260" height="210" />

Рисунок 3 - Положение температур начала и конца мартенситного превращения в зависимости от химического состава стали

Для уменьшения количества остаточного аустенита в закаленной стали применяют обработку холодом, заключающуюся в охлаждении закаленной стали до отрицательных температур, до температуры ниже т. Мк (-80oС). Обычно для этого используют сухой лед.

Обработку холодом необходимо проводить сразу после закалки, чтобы не допустить стабилизации аустенита. Увеличение твердости после обработки холодом обычно составляет 1…4 HRC.

После обработки холодом сталь подвергают низкому отпуску, так как обработка холодом не снижает внутренних напряжений.

стали холодом" width="313" height="225" />

Рисунок 4 - Схема режима термической обработки стали холодом



Обработке холодом подвергают детали шарикоподшипников, точных механизмов, измерительные инструменты.

5. Сталь 45 подвергалась отжигу при температурах 830 и 1000 °С. Опишите превращения, происходящие при данных режимах отжига, укажите, какие образуются структуры, и объясните причины получения различных структур и свойств. Дайте определение процесса и рекомендуйте оптимальную температуру нагрева

Полный отжиг заключается в нагреве доэвтектоидной стали на 30-50°С выше температуры, соответствующей точке АС3, выдержке при этой температуре для полного прогрева и завершения фазовых превращений в объеме металла и последующем медленном охлаждении.

Критическая точка Ас3 стали 45 равна 780єС. Поэтому температура нагрева в соответствии с определением полного отжига составляет 810-830єС. при этой температуре имеем структуру аустенита (100%). при снижении температуры до Аr3 начинают появляться первые зерна феррита. При дальнейшем снижении температуры до Аr1 из аустенита будут образовываться только зерна феррита, а содержание углерода в остающемся аустените будет увеличиваться и при температуре Аr1 достигнет 0,8%. при снижении температуры ниже Аr1 из аустенита будет образовываться перлит. После отжига сталь имеет низкую твердость и прочность при высокой пластичности. Отжиг облегчает обработку, резание стали.

Сталь 45 после отжига имеет структуру перлита и феррита. Твердость HB стали 45 после полного отжига не более 1970 МПа.

Чрезмерное повышение температуры нагрева выше точки А3 (к примеру, до 1000єС для стали 45), вызывает рост зерна аустенита, что ухудшает свойства стали. Перегретая Сталь характеризуется хрупким изломом.

Оптимальная температура отжига для стали 45 составляет 810-830єС.

6. Деформируемые алюминиевые сплавы. Химический состав, структура, термическая обработка, свойства и области применения

Для изготовления любых изделий, предназначенных к восприятию внешних сил, применяют не чистый алюминий, а его сплавы, которых в настоящее время разработано достаточно много марок.

Введение различных легирующих элементов в алюминий существенно изменяет его свойства, а иногда придает ему новые специфические свойства. При различном легировании повышаются прочность, твердость, приобретается жаропрочность и другие свойства. При этом происходят и нежелательные изменения: неизбежно снижается электропроводность, во многих случаях ухудшается коррозионная стойкость, почти всегда повышается относительная плотность. Исключение составляет легирование марганцем, который не только не снижает коррозионную стойкость, но даже несколько повышает ее, и магнием который тоже повышает коррозионную стойкость (если его не более 3%) и снижает относительную плотность, так как он легче, чем алюминий.

Основными легирующими элементами в различных деформируемых сплавах являются медь, магний, марганец и цинк, кроме того, в сравнительно небольших количествах вводятся также кремний, железо, никель и некоторые другие элементы.

Для получения деформируемых сплавов в алюминий вводят в основном растворимые в нем легирующие элементы в количестве, не превышающем предел их растворимости при высокой температуре. В них не должно быть эвтектики, которая легкоплавка и резко снижает пластичность.

Деформируемые сплавы при нагреве под обработку давлением должны иметь гомогенную структуру твердого раствора, обеспечивающую наибольшую пластичность и наименьшую прочность. Это и обусловливает их хорошую обрабатываемость давлением.

Деформируемые сплавы используются в автомобильном производстве для внутренней отделки, бамперов, панелей кузовов и деталей интерьера; в строительстве, как отделочный материал; в летательных аппаратах и др. Алюминий в большом объёме используется в строительстве в виде облицовочных панелей, дверей, оконных рам, электрических кабелей. Алюминиевые сплавы не подвержены сильной коррозии в течение длительного времени при контакте с бетоном, строительным раствором, штукатуркой, особенно если конструкции не подвергаются частому намоканию.

Деформируемые алюминиевые сплавы делят на упрочняемые и неупрочняемые. Это наименование отражает способность или неспособность сплава заметно повышать прочность при термической обработке.

Уже сейчас трудно найти отрасль промышленности, где бы не использовался алюминий или его сплавы - от микроэлектроники до тяжёлой металлургии. Это обуславливается хорошими механическими качествами, лёгкостью, малой температурой плавления, что облегчает обработку, высоким внешними качествами, особенно после специальной обработки. Учитывая перечисленные и многие другие физические и химические свойства алюминия, его неисчерпаемое количество в земной коре, можно сказать, что алюминий - один из самых перспективных материалов будущего.

Свойства деформируемых алюминиевых сплавов

По физико-химическим и технологическим свойствам все деформируемые алюминиевые сплавы можно разделить на следующие группы:

- Малолегированные и термически не упрочненные сплавы;

- Сплавы, разработанные на базе систем: Al-Mg-Si, Al-Mg-Si-Cu-Mn (АВ, АК6, АК8);

- Сплавы типа дуралюмин (Д1, Д6, Д16 и др);

- Сплавы, разработанные на базе системы: Al-Mg-Ni-Cu-Fe (АК2, АК4, АК4-1);

- Сплавы типа В95, обладающие наибольшей прочностью при комнатной температуре.

Малолегированные и термически не упрочненные сплавы.

Наиболее типичными сплавами, отнесенными к этой группе, являются сплавы группы магналий и АМц. Эти сплавы отличаются наиболее высокой коррозионной стойкостью и пластичностью. Упрочнение этих сплавов достигается нагартовкой. Они нашли наиболее широкое применение в виде листового материала, используемого для изготовления сложных по конфигурации изделий, получаемых путем горячей штамповки, глубокой вытяжке и прокатки. Из этих же сплавов путем прессования изготовляются трубы. Листовые материалы типа магналия обычно подвергаются точечной электросварке, тогда как для марганцовистых материалов можно применять любой вид сварки. Эти сплавы характеризуются сравнительно невысокой прочностью, не намного превосходящей прочность алюминия.

Марганец, в отличие от остальных элементов не только не ухудшает коррозионной стойкости алюминиевого сплава, но даже несколько повышает ее. Магний является полезным легирующим элементом. Не считая повышения коррозионного сопротивления, магний уменьшает удельный вес алюминиевого сплава (так как он легче алюминия), повышает прочность, не снижая пластичности. Поэтому алюминиевые сплавы получили распространение как более прочные и легкие, чем чистый алюминий.

Сплавы, разработанные на базе систем: Al-Mg-Si, Al-Mg-Si-Cu-Mn. Группа сплавов АВ, АК6, АК8 по химическому составу значительно отличается как от сплавов типа дуралюмин, так и сплавов типа АК2 и АК4.
Сплавы АВ относятся к малолегированным сплавам, но применяются в термообработанном состоянии. Основным упрочнителем их является фаза Mg2Si, а также фаза CuAl2. Добавка марганца и хрома способствует измельчению структуры и некоторому повышению температуры рекристаллизации. По прочности сплавы АВ несколько уступают сплавам типа дуралюмин и сплавам АК6, АК8 , а по пластичности превосходят последние.

Сплавы типа авиаль нашли наиболее широкое применение для изготовления различных весьма сложных по форме полуфабрикатов, получаемых путем горячей штамповки, ковки, глубокой вытяжки и прокатки.

Сплавы типа дуралюмин.

Наиболее типичным представителем сплавов типа дуралюмин является сплав Д1. К этой же группе относятся сплавы Д6, Д16 и др. Следует отметить, что сплавы Д6 и Д16 обладают более высокой прочностью, чем сплав Д1. Большинство сплавов типа дуралюмин применяется в закаленном и естественно состаренном состоянии. Все эти сплавы имеют наибольшее распространение для изготовления труб, прутков, профилей и листов. По своей природе сплавы Д3П и Д18П также относятся к числу сплавов типа дуралюмин, но они менее легированы и отличаются весьма высокой пластичностью. Поэтому сплавы Д3П и Д18П нашли широкое применение в основном, для изготовления заклепок.

Сплавы, разработанные на базе системы: Al-Mg-Ni-Cu-Fe.
К этой группе относятся прежде всего сплавы АК3, АК4, АК4-1, которые по фазовому составу, следовательно и по свойствам, резко отличаются от сплавов типа дуралюмина. Эти сплавы нашли наиболее широкое применение для ковки штамповки поршней, картеров и др. деталей, работающих при повышенных температурах. Из сплавов АК4, АК4-1 изготавливают детали колес компрессоров, воздухозаборников, крыльчатки мощных вентиляторов, лопасти и другие детали, работающие при повышенных температурах.

Сплавы типа В95, обладающие наибольшей прочностью при комнатной температуре. Из всех деформируемых сплавов наибольшую плотность имеют сплавы В95, хотя этим сплавам присущи следующие недостатки: пониженная пластичность; повышенная чувствительность к коррозии под напряжением; большая чувствительность к повторным нагрузкам и действию острых надрезов, чем у сплава типа дуралюмин; склонность к резкому снижению прочностных характеристик с повышением температуры выше 1400С°.

Сплав В95 применяется в виде прессованных профилей, прутков, различных штамповок. Все эти полуфабрикаты поставляются как в отожженном, так и в закаленном и искусственно состаренном состояниях. Сплавы типа В95 путем термической обработки получают упрочнение в большей мере, чем другие алюминиевые сплавы. Время выдержки как при температуре закалки, так и при искусственном старении может резко изменяться в зависимости от толщины и структуры сплава. Эти сплавы после закалки получают значительное упрочнение, но еще сохраняют достаточно высокую пластичность, благодаря чему поддаются хорошей деформации. Поэтому способом штамповки или выколотки из полуфабрикатов свежезакаленного состояния можно получать детали за одну операцию.

Необходимо учитывать, что деформирование, выполненное в процессе естественного старения, у многих сплавов вызывает снижение предела прочности на 2 кг/мм2 по сравнению с пределом прочности, получаемым при старении сплавов после деформирования. Поэтому рекомендуется производить деформирование сплавов Д1 только в свежезакаленном состоянии в течение 2 час. после закалки, а сплавов Д6 и Д16 в течение 30 мин. Технологические свойства металлов и их сплавов -- это часть их общих физико-химических свойств. Знание этих свойств позволяет более обоснованно проектировать и изготовлять изделия с улучшенными для данного сплава качественными показателями. К технологическим свойствам деформированных алюминиевых сплавов относятся:

Пластичность или деформируемость -- способность металла (сплава) изменять форму при гибке, ковке, штамповке, прокатке и прессовании без нарушения целостности. Некоторые технологические пробы, используемые для исследования металлов на деформируемость, стандартизированы. Оценка качества металла при исследовании его деформируемости производится визуально по состоянию поверхности после испытания.

Жидкотекучесть -- это способность металла заполнять литейную форму. Она зависит от вязкости, поверхностного натяжения и температуры заливки расплава. Чем выше жидкотекучесть расплава, тем легче заполнять сложную литейную форму.

Свариваемость -- способность металлов и сплавов образовывать неразъемные соединения при их плавлении. Хорошая свариваемость характеризуется плотным швом в зоне сварки, без трещин и раковин.

Паяемость -- способность металлов и сплавов образовывать неразъемные соединения с помощью промежуточного сплава - припоя (адгезива), температура плавления которого значительно ниже температуры соединяемых металлов. При пайке не происходит структурных изменений соединяемых металлов, так как они не нагреваются до высоких температур и не плавятся, как при сварке. Припои и соответствующие им флюсы выбирают в зависимости от металлов и сплавов, подлежащих пайке.

Упрочняемость -- способность металлов и сплавов улучшать свои свойства (прочность, износостойкость, твердость и др.) за счет термической, химико-термической, термомеханической, механической и других видов обработки.

Незакаливаемость -- способность металлов и сплавов не изменять свои прочностные и пластические свойства после нагревания и резкого охлаждения, что имеет большое значение при сварочных процессах.



При испытании на незакаливаемость металл нагревают до 750 °С, затем резко охлаждают в поде, после чего проверяют его на изгиб.

Обрабатываемость резанием -- свойство металла или сплава обрабатываться резцом или абразивом. При хорошей обрабатываемости получается малая шероховатость поверхности (чистота), обеспечивается точность размеров готовой детали. Хорошо обрабатываемые металлы обладают невысоким сопротивлением резанию, не затрудняют процесс стружкообразования, не снижают стойкость инструмента.

Технология производства деформируемых алюминиевых сплавов

Получают алюминий из горных пород с высоким содержанием глинозема: бокситов, нефелинов, алунитов и коалинов. Основным видом сырья для получения алюминия являются бокситы. Они содержат около 50--60% глинозема, 1--15 кремнезема, 2--25 окиси железа, 2--4 окиси титана, 10--30% воды.

Технологический процесс получения алюминия состоит из двух стадий: получения глинозема (А1з0з) из руды и производства алюминия из глинозема. В зависимости от состава и свойств исходного сырья применяют различные способы получения глинозема: химико-термические, кислотные и щелочные.

Широкое распространение получили щелочные способы. Этим способом перерабатываются бокситы с низким содержанием кремнезема (2--3%). Боксит при этом сушат, дробят, размалывают в шаровых мельницах и обрабатывают концентрированной щелочью для перевода гидрата окиси алюминия, в алюминат натрия: 2А1(ОН)з+2NаОН=NааО2 * Аl2Oз+4Н20.

Алюминат натрия (Nа2О * Аl2Оз) переходит в водный раствор, а другие примеси, не растворимые в щелочах, выпадают в осадок и отфильтровываются. Одна часть кремнезема также переходит в осадок, а другая растворяется в щелочи и загрязняет водный раствор, В связи с этим для очищения раствора требуется повышенный расход едкого натра.

Отфильтрованный водный раствор алюмината натрия поступает в специальные аппараты-- самоиспарители, где происходит гидролиз алюмината натрия и выделение гидроокиси алюминия: Nа2O=Аl2Oз+4Н2O=2NаОН+2Аl(ОН)з.

Полученная гидроокись алюминия направляется на фильтрование, а затем промывается и поступает в печи, где при температуре 1200° прокаливается.

В процессе прокаливания получают чистый глинозем:

2А1(ОН)з Аl2Oз+ЗН2О.

Выход глинозема из руды при этом способе составляет около 87%. На производство 1 т глинозема расходуется 2,0--2,5 т боксита. 70--90 кг NаОН, около 120 кг извести, 7--9 т пара; 160--180 кг мазута (в пересчете на условное топливо) и около 280 кВт*ч электроэнергии.

Глинозем (А2О3) представляет собой прочное химическое соединение, температура его плавления 2050, кипения -- 2980°С. В этих условиях восстановление алюминия углеродом или его окисью весьма затруднительно, так как этот процесс заканчивается образованием карбида алюминия (Al3С4).

Не представляется возможным получить алюминий с помощью электролиза водного раствора солей, так как в этом случае на катоде выделяется только водород. Поэтому алюминий получают электролизом из глинозема, растворенного в расплавленном криолите. Процесс происходит в специальных электролизных ваннах. На дне ванны (катоде) собирается жидкий алюминий, который периодически откачивается с помощью вакуумного ковша, соединенного с вакуумным насосом, gо мере необходимости электрод обновляется. Суточная производительность ванны составляет около 350 кг алюминия. Длительность непрерывной работы ванны--2--3 года. Для производства одной тонны алюминия расходуется около - 2 т глинозема, 0,7 т анодной массы, 0,1 т криолита и других фторидов и 16--18 тыс. кВт*ч электроэнергии. В структуре себестоимости 1 т алюминия затраты на электроэнергию составляют более 30%, около 50% приходится на сырье и основные материалы. В этих условиях рациональное и экономное использование сырья и электроэнергии является одним из путей снижения себестоимости алюминия.

Блок-схема изготовления деформируемых алюминиевых сплавов

Размещено на http://www.allbest.ru

1 - сушка, дробление, размалывание в шаровых мельницах и обработка концентрированной щелочью

2 - фильтровка

3 - гидролиз в специальных аппаратах - самоиспарителях

4 - фильтрование, промывка, прокаливание

5 - электролиз в специальных электролизных ваннах

6 - легирование медью, магнием, марганцем, цинком, кремнием, железом, никелем и другими элементами.

Применение деформируемых алюминиевых сплавов в народном хозяйстве

Сплавы на основе систем Al-Mn (АМц) и AL-Mg (АМг6), не упрочняемые термической обработкой. Их используют в отожженном (М), нагартованном (Н) или полунагартованном (П) состояниях. Эти сплавы хорошо свариваются. Их применяют для изготовления коррозионностойких изделий, получаемых методами глубокой вытяжки и сварки (например, сварных бензобаков, трубопроводов для масла и бензина, корпусов и мачт судов);

Сплавы системы Al-Mg-Si (АВ, АД31, АД33), упрочняемые закалкой (520-530 0С) и искусственным старением (150-170 0С, 10-12 ч). Эти сплавы вне зависимости от состояния материала, не склонны к коррозионному растрескиванию под напряжением. Они удовлетворительно обрабатываются резанием в закаленном и состаренном состоянии, а также свариваются с помощью точечной, шовной и аргонодуговой сварки. Большей коррозионной стойкостью обладают сплавы АД31 и АД33, работающие в интервале -70 до +50 0С; сплав авиаль АВ из указанной группы сплавов характеризуется большей прочностью. Из сплавов АВ, Ад31 и АД33 изготавливают лопасти и детали кабин вертолетов, барабаны колес гидросамолетов.

Хорошим сочетание прочности и пластичности отличаются сплавы системы AL-Cu-Mg - дюралюмины Д1, Д16, Д18, Д19, ВД17 и др. Они упрочняются термической обработкой, хорошо свариваются точечной сваркой, удовлетворительно обрабатываются резанием ( в термоупрочненном состоянии); однако склонны к межкристаллитной коррозии после нагрева (особенно Д1, Д16 и В65). Значительное повышение коррозионной стойкости сплавов достигается плакированием (покрытием их технических алюминием (А7, А8). Сплавы Д19 и ВД17 работают при нагреве до 200-250 0С (например, из сплава ВД17 изготавливают лопатки компрессора двигателя). В авиации дюралюмины применяют для изготовления лопастей воздушных винтов (Д1), силовых элементов конструкций самолетов (Д16, Д19), заклепок (В65, Д18) и др.

Высокопрочные сплавы системы Al-Zn-Mg-Cu (В93, В95, В96Ц) характеризуются большими значениями временного сопротивления (до 700МПа). При этом достаточная пластичность, трещиностойкость и сопротивление коррозии достигаются режимами коагуляционного ступенчатого старения (Т2, Т3), а также применением сплавов повышенной (В95пч) и особой (В95оч) чистоты. В данном случае сплавы обладают лучшей коррозионной стойкостью, чем дюралюмины. Рабочая температура высокопрочных сплавов не превышает 120 0С, ибо они не являются теплопрочными. Сплавы используются для изготовления высоконагруженных изделий, как правило, работающих в условиях сжатия (стрингеры, шпангоуты, лонжероны и др.)

Высокомодульный сплав 1420 обладает за счет легирования алюминия литием и магнием (система Al-Mg-Li) пониженной (на 11%) плотностью и одновременно повышенным (на 4%) модулем упругости по сравнению со свойствами сплава Д16.

Сплав 1420 характеризуется коррозионной стойкостью (аналогичной сплаву АМг6М) после закалки с искусственным старением (Т1), а также после сварки. Сплав может быть использован для замены в изделиях сплава Д16, обеспечивая при этом снижение их массы на 10-15%.

Высокой пластичностью при горячей обработке давлением обладают ковочные сплавы АК6 и АК8 (система Al-Mg-Si-Cu). Они удовлетворительно свариваются, хорошо обрабатываются резанием, но склонны к коррозии под напряжением. Для обеспечения коррозионной стойкости детали из сплавов АК6 и АК8 анодируют (электрохимически оксидируют) или наносят лакокрасочные покрытия. Из ковочных сплавов изготавливают ковкой и штамповкой детали самолетов, работающие под нагрузкой (рамы, пояса лонжеронов, крепежные детали). Эти сплавы способны работать при криогенных температурах.

Жаропрочные алюминиевые сплавы системы Al-Cu-Mn (Д20, Д21) и Al-Cu-Mg-Fe-Ni (АК4-1) применяют для изготовления деталей (поршни, головки цилиндров, диски и лопатки компрессоров), работающих при повышенных температурах (до 300 0С). Жаропрочность достигается за счет легирования сплавов никелем, железом и титаном, затормаживающими диффузионные процессы и образующими сложнолегированные мелкодисперсные упрочняющие фазы, устойчивые к коагулящии при нагреве. Сплавы обладают высокой пластичностью и технологичностью в горячем состоянии, хорошо (Д20) или удовлетворительно (Д21, АК4-1) свариваются, однако отличаются пониженной коррозионной стойкостью; их защищают от коррозии анодированием и лакокрасочными покрытиями. При 2500С большей жаропрочностью обладают сплавы Д21, Д20 по сравнению со сплавом АК4-1.

Классификация деформируемых алюминиевых сплавов

В основу классификации товаров заложены ведущие, характерные признаки. Основными классификационными признаками промышленной продукции являются: происхождение (продукция металлургии, химической промышленности, машиностроения и т.д.); участие в производственном процессе (сырье, топливо, энергия и т.д.); назначение. Для непродовольственных товаров характерными признаками являются: назначение, исходный материал, способ производства, особенности конструкции, размерные показатели, фасон, отделка и т.д.

Экономико-статистическая классификация представлена в Общегосударственном классификаторе промышленной и сельскохозяйственной продукции (ОКП), который входит в состав Единой системы классификации и кодирования технико-экономической и социальной информации Республики Беларусь.

ОКП предназначен для создания единого языка, обеспечивающего сопоставимость данных о продукции Республики Беларусь с учетом международных классификаций в системах автоматизированной обработки информации при кодировании промышленной и сельскохозяйственной продукции для решения следующих задач: создания государственной системы каталогизации продукции; предоставления информации о производимой в Республике Беларусь продукции в международные организации; организации связей в производственной сфере между производителями и потребителями продукции.

Классификация по ГОСТу 21488-97 “Прутки пресованные из алюминия и алюминиевых сплавов. Технические условия.”.

Классификация

Прутки подразделяют:

по форме сечения: круглые, квадратные, шестигранные;

по точности изготовления: нормальной точности, повышенной точности, высокой точности;

по состоянию материала: без термической обработки (горячепрессованные), мягкие (отожженные), закаленные и естественно состаренные, закаленные и искусственно состаренные;

по виду прочности: нормальной прочности; повышенной прочности.

Код по ТН ВЭД (2003) на деформируемые алюминиевые сплавы:

Раздел XV: Недрагоценные металлы и изделия из них.

Группа 76: Алюминий и изделия из него.

Подгруппа 7604: Прутки и профили алюминиевые:

Позиция 7604 29: - прочие:

Субпозиция 7604 29 100 0: ---прутки.

Код по ОКП (2002) на деформируемые алюминиевые сплавы:

Секция D: Продукция перерабатывающей промышленности.

Подсекция DJ: Основные металлы и готовые металлические изделия.

Раздел 27: Основные металлы.

Группа 27.4: Основные драгоценные металлы и металлы, плакированные драгоценными металлами.

Класс 27.42: Алюминий и полуфабрикаты из алюминия.

Категория 27.42.2: Полуфабрикаты из алюминия или алюминиевых сплавов.

Подкатегория 27.42.22: Прутки и профили из алюминия

Вид 27.42.22.500: Прутки и профили из алюминиевых сплавов.



7. Металлокерамические твердые сплавы. Состав, структура и области применения

Это сплавы карбидов некоторых тугоплавких металлов (W, Ti, Ta) с добавками Co (как цементирующего металла). Карбиды W и Ti имеют высокую твердость; Co придает сплавам вязкость и снижает температуру спекания. Металлокерамические твердые сплавы изготовляют методами порошковой металлургии. По структуре карбидных составляющих металлокерамические твердые сплавы делятся на три группы: вольфрамовые (W), титановольфрамовые (Ti-W), и титанотантало-вольфрамовые (Ti-Ta-W). Сплавы вольфрамовой группы отличаются повышенной вязкостью, но меньшей твердостью. Изменяя состав сплавов (карбид WC от 97 до 85%, остальное Co), получают различные свойства в зависимости от области применения. Сплавы титановольфрамовой группы имеют более высокую твердость и износоустойчивость, но меньшую вязкость. Добавление карбида TiC взамен части карбида WC уменьшает коэффициент трения пары сплав-сталь. Такое же влияние оказывает и введение других карбидов тугоплавких металлов, кристаллизующихся, как и TiC, TaC или NbC. В результате взаимодействия TiC и WC образуется твердый раствор этих карбидов на основе TiC.

Металлокерамические твердые сплавы подразделяют на три группы: вольфрамовую, титановольфрамовую, титанотанталовольфрамовую.

Вольфрамовые твердые сплавы (например, ВК3, ВК3М, ВК6, ВК8, ВК8В и др.) применяют при обработке хрупких материалов: чугуна, бронзы, фарфора, стекла. Сплавом ВК6М оснащают режущий инструмент для чистовой и получистовой обработки отбеленных чугунов, жаропрочных сталей, пластмасс. Сплавом ВК8В оснащают инструмент для бурения, волочения, чернового точения жаропрочных и нержавеющих сталей. Буква В в конце марки указывает, что сплав крупнозернистый, буква М -- мелкозернистый. Мелкозернистые и крупнозернистые вольфрамовые высококобальтовые твердые сплавы ВК20, ВК25, ВКЗО и новые твердые сплавы ВК15В, ВК20В и ВК25В, обладающие высокой прочностью и ударной вязкостью, применяют для изготовления твердосплавных штампов, работающих в условиях больших ударных нагрузок. Стойкость твердосплавных штампов по сравнению со стальными возрастает в 30--50 раз, чем обеспечивает большой экономический эффект.

Титановольфрамовые твердые сплавы (Т5К10, Т15К6, Т30К4 и др.) предназначены для обработки вязких материалов: стали, латуни. Сплавом Т5К10, например, оснащают режущий инструмент для чернового точения, а также чернового и чистового строгания сталей по корке и окалине (включая стальные тюковки, штампованные заготовки и отливки).

Титанотанталовольфрамовые твердые сплавы ТТ7К12 и ТТ10К8Б используют для черновой обработки стальных поковок. Эти сплавы имеют более высокую вязкость, износостойкость и прочность (ув -- 1550 МПа), чем твердые титановольфрамовые и вольфрамовые сплавы.Маркировка вольфрамовых твердых сплавов означает, например, для сплава ВК8, что в нем содержится примерно 92% карбидов вольфрама и 8% кобальта. В титановольфрамовом сплаве Т30К4 содержится примерно 30% карбидов титана, 4% кобальта и остальное -- карбиды вольфрама (66%). В титанотанталовольфрамовом сплаве ТТ7К12 сумма содержания карбидов тантала и карбидов титана составляет примерно 7%, кобальта 12%, остальное -- карбиды вольфрама (81%). Аналогично расшифровываются и остальные марки твердых сплавов. Пластифицированные твердые сплавы применяют для изготовления сложных по форме инструментов (сверл, зенкеров, разверток и т. п.), а также инструментов небольших размеров, которые трудно оснастить пластинками из твердого сплава. Пластифицированным твердым сплавом называют спрессованный порошок, погруженный в кипящий парафин при температуре 400° С и составляющий с ним после остывания однородную массу. Брикеты из пластифицированного твердого сплава легко поддаются обработке резанием, прессованию и выдавливанию через фасонные фильеры. Изготовленный одним из этих методов инструмент подвергают спеканию в специальных печах при температуре 1300°С. После спекания инструмент, обладающий необходимой твердостью, подвергают чистовой обработке и затачиванию. Режущий инструмент, изготовленный из пластифицированного твердого сплава, обеспечивает более высокое качество обработанных поверхностей изделия, по сравнению с инструментом, оснащенным пластинками твердого сплава.

Коротко о технологии получения

Твердые сплавы изготавливают методом порошковой металлургии. Порошки карбидов смешивают с порошком кобальта, прессуют эту смесь в изделия необходимой формы и подвергают спеканию при 1400-1550°С в защитной атмосфере (водород) или в вакууме. При спекании кобальт плавится и растворяет часть карбидов, что позволяет получать плотный материал (пористость не превышает 2%), состоящий на 80-97% из карбидных частиц, соединенных связкой. Увеличение содержание связки вызывает снижение твердости, но повышение вязкости.

Порошки получают различными способами. Название порошка указывает на способ его получения. Карбонильный порошок получают термическим разложением карбонильных соединений металлов; электролитический -- электролитическим соединением из растворов или расплавов солей; осажденный порошок -- химическим осаждением; распыленный порошок -- распылением расплавленного металла или сплава; вихревой порошок -- разломом металла в вихревых мельницах.

Большинство порошков состоит из гранул -- частиц, имеющих сфероидальную форму, -- гранулированный порошок.

Изделия из порошка производят следующим образом. Сначала проводят формование. Для этого в приготовленный порошок вводят связующий металл -- это связка между частицами основной тугоплавкой фазы -- и активизирующую добавку, которая ускоряет дальнейший процесс спекания. Чтобы облегчить формование, вводят пластификатор -- пластичное вещество, способствующее уплотнению и упрочнению формовок. В процессе формования заготовкам из порошка придают форму, размеры, плотность и механическую прочность, необходимые для последующего изготовления изделий. Обычно формование проводят прессованием на механических или гидравлических прессах.

Спекание может происходить без образования жидкой фазы -- твердофазное спекание, с образованием жидкой фазы -- жидкофазное спекание. В результате получается спеченный материал или спеченное изделие.

Спекание изделий проводят в различных печах (пламенных, электрических) индукционным нагревом -- непосредственным пропусканием электрического тока через спекаемое изделие. Для защиты поверхности изделия от окисления применяют защитные атмосферы или вакуумные печи.

Чтобы избежать коробления изделия, спекание проводят с одновременным приложением давления -- спекание под давлением. Часто получают изделия методом горячего прессования -- одновременное прессование и спекание порошков. Прессование проводят на механических, гидравлических либо газостатических прессах. Давление и температуру выбирают, исходя из свойств порошков и назначения изделий.

Чтобы повысить прочность изделий, в порошки вводят специальный армирующий материал (упрочняющие стержни, волокна, проволоку, сетку), а затем подвергают спеканию. В результате получают армированный спеченный материал.

Химический состав металлокерамических твердых сплавов
Группа твердых сплавов	Марка твердых сплавов	Химический состав, %
		WС	TiC(TaC)	Co
Вольфрамовая	ВК2	98	-	2
	ВК3	97	-	3
	ВК3М	97	-	3
	ВК4	96	-	4
	ВК4В	96	-	4
	ВК6М	94	-	6
	ВК6	94	-	6
	ВК6В	94	-	6
	ВК8	92	-	8
	ВК8В	92	-	8
	ВК10	90	-	10
	ВК15	85	-	15
	ВК20	80	-	20
	ВК25	75	-	25
Титановольфрамовая	Т30К4	66	30TiC	4
	Т15К6	79	15TiC	6
	Т14К8	78	14TiC	8
	Т15К10	85	6TiC	9
	Т5К12В	83	5TiC	12
Титанотанталовольфрамовая	ТТ7К12	81	3TaC 4TaC	12
	ТТ10К8Б	82	3TaC 7TaC	8

Основные физико-механические свойства твердых сплавов

Марка сплава	МПа, не менее	p, г/см куб.	HRA, не менее	Область применения
ВК3	1176	15,0-15,3	89,5	Чистовая и окончательная обработка (точение, нарезание резьбы, размерная обработка отверстий и др.) серого чугуна, цветных металлов и сплавов и неметалических метериалов
ВК3-М	1176	15,0-15,3	91	Чистовая и окончательная обработка (точение, рестачивание, нарезание резьбы, развертывание) твердых, легированных и отбеленных чугунов, цементированных закаленных сталей
ВК4	1519	14,9-15,2	89,5	Черновая обработка при неравномерном сечении среза (точение, фрезерование, растачивание, рассверливание, зенкерование)при обработке чугуна, цветных металлов и сплавов, титана и его сплавов
ВК6	1519	14,6-15,0	88,5	Черновая и получистовая обработка (точение, нарезание резьбы резцами, фрезерование, рассверливание, зенкерование отверстий) серого чугуна, цветных металлов и их сплавов
ВК8	1666	14,4-14,8	87,5	Черновая обработка при неравномерном сечении среза и прерывистом резании серого чугуна, цветных металлов и их сплавов, коррозионно-стойких, высокопрочных и жаропрочных сталей и сплавов, титановых сплавов (точение, строгание, фрезерование, сверление, зенкерование)
Т30К4	980	9,5-9,8	92,0	Чистовая обработка незаколенных и закаленных углеродистых сталей (точение, нарезание резьбы, развертывание)
Т15К6	1176	11,1-11,6	90,0	Получистовое точение (непрерывное резание), чистовое точение (прерывистое резание), нарезание резьбы резцами и вращающимися головками, получистовое и чистовое фрезерование сплошных поверхностей, растачивание, чистовое зенкерование, развертывание при обработке углеродистых и легированных сталей
Т14К8	1274	11,2-11,6	89,5	ТО же, что для сплава Т15К6, а также черновая обработка при неравномерном сечении и непрерывном резании
Т5К10	1421	12,4-13,1	88,5	Черновое точение и фрезерование при неравномерном сечении и прерывистом резании, фасонное точение, отрезка резцами, чистовое строгание и другие виды обработки углеродистых и легированных сталей, преимущественно в виде поковок, штамповок и отливок по корке и окалине
Т5К12	1666	13,1-13,5	87,0	Тяжелое черновое точение при неравномерном сечении стальных поковок, штамповок и отливок по корке с раковонами при наличии песка, шлака и др.; все виды строгания, сверления углеродистых и легированных сталей

Области применения

Твердые сплавы в настоящее время являются распространенным инструментальным материалом, широко применяемым в инструментальной промышленности. За счет наличия в структуре тугоплавких карбидов твердосплавный инструмент обладает высокой твердостью HRA 80-92 (HRC 73-76), теплостойкостью (800--1000 °C), поэтому ими можно работать со скоростями, в несколько раз превышающими скорости резания для быстрорежущих сталей. Однако, в отличие от быстрорежущих сталей, твердые сплавы имеют пониженную прочность (уи = 1000--1500 МПа), не обладают ударной вязкостью. Твердые сплавы нетехнологичны: из-за большой твердости из них невозможно изготовить цельный фасонный инструмент, к тому же они ограниченно шлифуются -- только алмазным инструментом, поэтому твердые сплавы применяют в виде пластин, которые либо механически закрепляются на державках инструмента, либо припаиваются к ним. Твердые сплавы ввиду своей высокой твердости применяются в следующих областях

Обработка резанием конструкционных материалов: резцы, фрезы, сверла, протяжки и прочий инструмент.

Оснащение измерительного инструмента: оснащение точных поверхностей микрометрического оборудования и опор весов.

Клеймение: оснащение рабочей части клейм.

Волочение: оснащение рабочей части волок.

Штамповка: оснащение штампов и матриц(вырубных, выдавливания и проч.).

Прокатка: твердосплавные валки (выполняются в виде колец из твердого сплава, одеваемых на металлическое основание)

Горнодобывающее оборудование: напайка спеченных и наплавка литых твердых сплавов.

Производство износостойких подшипников: шарики, ролики, обоймы и напыление на сталь.

Рудообрабатывающее оборудование: оснащение рабочих поверхностей.

Газотермическое напыление износостойких покрытий.



Список использованной литературы

сплав отжиг металл мартенсит

Горынин И.В. и др. Алюминиевые сплавы. Применение алюминиевых сплавов: Справочное руководство. М.: Металлургия, 1978 - 364с.

Гуляев А.П. Металловедение: М.: Государственное научно-техническое издательство ОБОРОНГИЗ, 1963 - 255 с.

Гелин Ф.Д. Технология металлов. Мн. : 1999 - 315 с.

Таубкин М.Д. Цветные металлы и сплавы: Справ.: в 2 т. М.: Металлургия, 1987. - 210 с.

Стерин И.С. Машиностроительные материалы. Основы металловедения и термической обработки: Учебное пособие. - СПб.: М. Политехника, 2003 - 344 с.

Солнцев Ю.П. Металловедение и технология металлов. М.: Металлургия, 1988. - 415 с.

Мешков М.А. Исследование процесса плавки алюминиевых сплавов дугой постоянного тока. Технология легких сплавов.: М., 2002, 189 с.

Малиновский В.С., Дубинская Ф.Е. Технико-экономический и экологические альтернативных технологий плавки металла в ДППТ.: М.: Электрометаллургия, 1999, 268 с.

Горынин И.В. и др. Алюминиевые сплавы. Применение алюминиевых сплавов: Справочное руководство. М.: Металлургия, 1978 - 364с.

1. Размещено на www.allbest.ru