Машиностроительные материалы

Размещено на http://www.allbest.ru/

Министерство образования и науки Российской Федерации

Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего профессионального образования

Реферат

по дисциплине: Материаловедение. Технология конструкционных материалов

Выполнил:

Бобин Олег Александрович

Руководитель:

Гончаров Валерий Михайлович

Ставрополь, 2013 год

1. Выберите углеродистую сталь для изготовления метчиков

Метчики - это специальный режущий инструмент, применяемый для нарезания внутренней резьбы в отверстиях. Другими словами, это гайконарезной инструмент. Метчик изготавливается из легированной инструментальной и быстрорежущей стали в виде цилиндрического или конического стержня. Рабочая часть метчика представляет собой точно нарезанную резьбу, разбитую идущими вдоль канавками, на отдельные гребенки. Края этих гребенок и являются режущими кромками. Хвостовик, другой конец метчика, как правило, квадратного сечения служит для закрепления в патроне станка или воротке.

Для изготовления мелких метчиков выбираем углеродистую инструментальную сталь У12А (У12).

Таблица 1. - Химический состав в % материала У12А (по ГОСТ 1435-74):

Классификация: Сталь инструментальная углеродистая.

Заменители: У10, У11.

Применение:

- режущие инструменты, работающие в условиях, не вызывающих разогрева режущей кромки;

- метчики ручные, метчики машинные мелкоразмерные, плашки для крупов, развертки мелкоразмерные, надфили;

- измерительный инструмент простой формы: гладкие калибры, скобы.

Сплавы с содержанием углерода от 0,8 до 2,14%.

Таблица 2. - Температура критических точек, ?С:

Рассмотрим часть диаграммы состояния «железо - цементит» (рис.1).

Рис. 1. - Диаграмма состояния железо-углерод:

Обозначим горизонтальной линией сталь У12. Выше точки 1 сплав находится в жидком состоянии. При охлаждении ниже точки 1 происходит кристаллизация сплава которая заканчивается в точке 2. После завершения первичной кристаллизации (ниже точки 2 на диаграмме) сталь охлаждается в аустенитом состоянии (гFe). Исходя из положения линии ES, можно установить, что аустенит в стали У12 вплоть до точки 3 (на линии ES) оказывается не насыщенным углеродом. По достижении температуры точки 3 аустенит становится предельно насыщенным углеродом, и так как растворимость углерода при охлаждении уменьшается (согласно линии ES), то, начиная с точки 3, из аустенита выделяется избыток углерода в виде цементита, называемый вторичным (избыточным) цементитом (Fe3C)II. Чуть выше линии PSK сплав будет состоять из двух фаз - аустенита и вторичного цементита. Структурные и фазовые составляющие совпадают.

По достижении точки 4 аустенит содержит 0,8% С (точка S) и претерпевает превращение:

Вторичный цементит, выделившийся в интервале температур от точки 3 до точки 4, в этом превращении не участвует.

С понижением температуры сплава ниже 727°С растворимость углерода в феррите уменьшается (линия PQ).

В связи с этим избыточный углерод из феррита выделяется в виде цементита третичного:

Структура после медленного охлаждения (равновесная структура) - перлит и вторичный цементит, расположенный в виде тонкой светлой сетки (или цепочек светлых зерен) по границам зерен перлита.

Рис. 2:

а) Сталь У12 после отжига - перлит зернистый, цементит вторичный;

б) СтальУ12 после закалки и низкого отпуска - мартенсит отпуска, цементит вторичный, незначительное количество остаточного аустенита.

В зависимости от температуры нагрева различают полную и неполную закалку. При полной закалке сталь переводят в однофазное аустенитное состояние, нагревая выше критических температур Ac3, при неполной закалке сталь нагревают до меж критических температур - между Ac1 и Ac3. Критические точки для стали У12:

Ас1=730?С;

Ас3=820?С.

Сталь У12 (как и все стали) подвергают неполной закалке (нагрев выше температуры точки Ас1 и ниже точки Ас3) с последующим низким отпуском для снятия остаточных напряжений.

Рис. 3:

В структуре сталей дополнительно присутствует вторичный цементит. Стали с такой структурой имеют низкую твердость и хорошо обрабатываются резанием. Температура закалки у сталей должна быть выше верхней критической точки:

Ас3 (t = Ас3 + 20 - 40)°С

А выше нижней критической точки:

Ас1 (t = Ас1 + 20 - 40)°С

Чтобы в результате закалки сталь получила мартенситную структуру. У сталей при этом сохраняется вторичный цементит. Закалку проводят в воде или в водных растворах солей. После закалки инструментальные углеродистые стали подвергаются низкому отпуску при 150-170°С, снимающего значительную часть закалочных напряжений при сохранении высокой твердости. Формируется структура мартенсит отпуска. У инструментальных сталей в структуре дополнительно присутствует вторичный цементит.

После термообработки (закалка с 780°С, охлаждение в воде, отпуск при 170°С) сталь получает твердость 62-64 HRC.

2. Расшифровка состава и микроструктур стали. Назначение режима термической и химико-термической обработки

Кулачки должны иметь минимальную деформацию и высокую износоустойчивость (твердость поверхностного слоя HV750-1000). Для изготовления их выбран сплав 38ХВФЮА.

Кулачок должен иметь высокую твердость и износоустойчивость, для его производства используем сталь 38ХВФЮА. Она относится к специальным сталям, подвергаемым азотированию. Эти стали содержат элементы, дающие нитриды высокой термической устойчивости (CrN, MoN, A1N).

Таблица 3. - Химический состав стали 38ХВФЮА:

Буква А в конце стали обозначает, что она высококачественная. Это характеризует низкое содержание вредных примесей фосфора и серы.

По назначению - сталь конструкционная легированная.

Азотируемая хромоалюминиевая сталь марки 38ХВФЮА (ГОСТ 4543-61), дополнительно легированная ванадием и вольфрамом, обладает усиленной прочностью и вязкостью сердцевины, а также высокой твердостью и износостойкостью после азотирования. Она прекрасно работает при динамических нагрузках и в условиях пониженных температур. Кроме того, сталь 38ХВФЮА слабо упрочняется при нагреве и может использоваться при температурах до 300-400 градусов.

Растворяясь в феррите, фосфор резко повышает температуру перехода в хрупкое состояние или иначе - вызывает хладноломкость стали.

Сера нерастворима в железе и любое её количество образует с железом сернистое соединение - сульфид железа FeS, который входит в состав сернистой эвтектики (FeS).

Она легкоплавкая, хрупкая и расположена по границам зёрен. Это делает сталь хрупкой при 800°C и выше, т. е., в районе температур красного каления. Явление это носит название красноломкости. Вследствие красноломкости сталь с повышенным содержанием серы не поддаётся горячей обработке давлением.

Термическая обработка стали:

- закалка 850^оС, охлаждение - масло;

- отпуск 580^оС, 5 ч, охлаждение - вода.

Температура критических точек стали 38ХВФЮА:

Ас1 = 650^оС;

Ас3 = 805^оС.

Технология процесса азотирования стали 38ХВФЮА.

Процесс азотирования стали 38ХВФЮА состоит из предварительной термической обработки заготовки (закалки и высокого отпуска), механической обработки деталей, защиты участков, не подлежащих азотированию и непосредственно операции азотирования.

1) 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 - нагрев стали выше точки Ас3, выдержке и последующем охлаждении со скоростью, превышающей критическую. Для стали 38ХВФЮА температура нагрева будет 850^оС. Учитывая, что критические точки Ас1=650°C, Ас3=805°C, 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 38ХВФЮА 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 среды (20-150^оС). 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.

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.

Для данной стали необходимо провести высокий отпуск при температуре 580°С, 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 твёрдость и повышенную ударную вязкость, которые в данных условиях работы необходимы.

Также следует учесть, что исходная сталь склонна к отпускной хрупкости, поэтому охлаждение должно быть быстрым. Связано это с тем, что при высоком отпуске по границам зёрен 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 зёрен не успеют обогатиться фосфором и хрупкости стали наблюдаться не будет.

Таким образом, сталь 38ХВФЮА подвергли улучшению (термическая обработка, состоящая из закалки и высокого отпуска). В результате получили структуру сорбит.

2) Механическая обработка деталей, а также шлифование и доводка, которые придают окончательные размеры детали.

3) 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.

4) Азотирование.

Азотированием называется химико-термическая обработка (ХТО), заключающеюся в диффузионном насыщении поверхностного слоя стали азотом при нагревании в соответствующей среде.

Так как в данном случае в задачу азотирования входит получение высокой твердости, то обычно температуру азотирования держат на уровне 500-520^оС. Длительность процесса зависит от требуемой глубины. Кроме того, следует учесть, что чем ниже температура процесса, тем меньше деформация детали при азотировании (последнее также имеет большое значение, так как на азотирование поступают детали, окончательно изготовленные, после шлифования). Принимая во внимание влияние температуры процесса (рис. 2), можно заключить, что для получения детали с максимальной твердостью и минимальной деформацией следует применять низкую температуру азотирования для стали 38ХВФЮА (510°С), при которой глубина будет невелика (0,3-0,4 мм.). И в этом случае продолжительность процесса составляет 24-48 часов, а твёрдость слоя 850-950 HV.

Азотирование очень долгий процесс, поэтому для ускорения воспользуемся методом ступенчатых циклов, заключающийся в проведении процесса не при одной, а при нескольких температурах. Вначале азотирование проведем при 500-520°С, а затем температуру повышают до 540-560°С. При этом ускоряется процесс в 1,5-2 раза и это мало отражается на твердости, которая имеет почти такое же высокое значение, как при низкой температуре изотермического цикла.

5) Окончательное шлифование и доводка изделия.

Влияние легирующих элементов на механические свойства.

Mn существенно увеличивает прокол.

Si замедляет процесс разупрочнения при отпуске, увеличивает прокол, существенно улучшает механические свойства при закалке.

Ni существенно увеличивает прокол, повышает сопротивление хрупкому разрушению (сопротивлению отрыву), понижает температуру хладноломкости, повышает вязкость в направлении, поперечном по отношению к волокну, способствует мелко зернистости стали.

Сталь 38ХВФЮА относится к перлитному классу.

До термической обработки имеет ферритно-перлитную структуру.

После термической обработки получаем структуру сорбит.

В результате термической обработки получаем вязкую сердцевину и поверхностный слой высокой твердости и износоустойчивости, что полностью соответствует предъявляемым требованиям к свойствам стали 38ХВФЮА, которые определяются условиями эксплуатации кулачков и эксцентриков.

3. Применение металлокерамики в машиностроении

Металлокерамика представляет собой сплав металлов и неметаллов. Металлокерамики объединяют важные конструкционные и эксплуатационные свойства металлов и неметаллов. Они отличаются большой прочностью, высокими износостойкостью, теплостойкостью и антикоррозионными свойствами. Для изготовления подшипниковых втулок применяют антифрикционные бронзографитовые и железографитовые металлокерамические материалы.

В автомобилестроении, самолетостроении в тормозных узлах и узлах сцепления используют фрикционные металлокерамические материалы. Эти материалы изготовляют на основе меди и железа с добавлением свинца, графита, асбеста, различных оксидов и тугоплавких соединений.

Из порошков железа, бронзы, никеля и нержавеющих сталей делают фильтры для очистки топлива в двигателях автомобилей, самолетов и т. д., для очистки различных жидкостей и воздуха. Металлокерамика находит широкое применение в автомобилестроении.

Из нее изготовляют втулки, вкладыши, шестерни и другие детали. На многих автомобильных и ремонтных заводах страны металлокерамические детали пропитывают обычными маслами (Индустриальное-20, Веретенное АУ, М-6, М-8 и др.). термический механический машиностроение

Такая пропитка дает неудовлетворительные результаты:

- во-первых, обычные масла плохо защищают металлокерамику от коррозии;

- во-вторых, в то же время металлокерамические изделия обладают противозадирными свойствами.

Эти свойства для металлокерамических изделий являются важнейшими: большинство из них входит в узлы трения и смазываются в процессе работы за счет выпотевания части масла из микропор изделий. Кроме того, на современных заводах по производству металлокерамических изделий, а также на некоторых машиностроительных и ремонтных заводах пропитка таких деталей осуществляется не обычным погружением их в масло. Сначала в специальных вакуумных устройствах из микропор изделий удаляется воздух. После этого детали пропитываются в ультразвуковых ваннах с подогревом. Для пропитки металлокерамики с помощью ультразвука обычные масла непригодны.

Список используемой литературы

1. Методические указания по оформлению текстовой части курсовых и дипломных проектов для студентов спец.12.01.00 / Сост. Большаков М.М., Сидоренко С.А. - Ставрополь, 1998.

2. Технология конструкционных материалов / А.М. Дальский, В.П. Леонтьева - М.: Машиностроение, 1985.

3. Материаловедение / Ю.М. Лахтин, В.П. Леонтьева - М.: Машиностроение, 1990.

4. Термическая обработка сплавов / И.В. Фиргер - Л.: Машиностроение, 1982.

5. Справочник сварщика / В.В.Степанов. - М.: Машиностроение, 1974.

6. Методические указания. Проектирование технологического процесса сварки конструкций из стали. Часть 1, 2. - Ставрополь, 1996.

7. Справочник. Машиностроительные материалы. Под ред. Раскатова В.Н. - М.: Машиностроение, 1985.

Размещено на Allbest.ru