Материаловедение и технология конструкционных материалов

Размещено на http://www.allbest.ru/

КАФЕДРА ТЕХНИЧЕСКОГО СЕРВИСА

КОНТРОЛЬНАЯ РАБОТА

«Материаловедение и технология конструкционных материалов»

Ярославль 2013

Содержание

1. Изложите особенности технологии термической обработки легированных сталей

2. Приведите схему и опишите технологический процесс изготовления деталей из термопластов методом литья под давлением. Укажите область применения

3. Изобразите диаграмму изотермического превращения аустенита эвтектоидной углеродистой стали. Опишите мартенситное превращение аустенита

1. Изложите особенности технологии термической обработки легированных сталей

сталь легированный технологический термопласт

Различие в термической обработке легированной и углеродистой сталей состоит в выборе различных температур и скорости нагрева, длительности выдержки при этих температурах и способе охлаждения.

Легированные стали менее теплопроводны по сравнению с углеродистыми. Это необходимо учитывать и особенно осторожно нагревать детали из стали, содержащей такие элементы, как вольфрам.

Критические температуры у одних легированных сталей выше, у других -- ниже; выбор температур термической обработки производится в зависимости от содержания в стали легирующих элементов.

Все легирующие элементы можно разбить на две группы: элементы, повышающие критические точки А_С1 и А _С3,а следовательно, и температуры нагрева при термической обработке и элементы, понижающие критические точки. К первой группе относятся Сu, V, W, Si, Mo, Ti, Nb и др. В связи с этим отжиг, нормализация и закалка сталей, содержащих перечисленные элементы, производятся при более высоких температурах, чем отжиг, нормализация и закалка углеродистых сталей. Ко второй группе элементов относятся Mn, Niи др. При выборе температуры термической обработки имеет значение склонность аустенитного зерна к росту.

Все легирующие элементы, за исключением Мn, препятствуют росту аустенитного зерна при нагреве. Особенно сильное влияние на уменьшение роста аустенитного зерна оказывают элементы, образующие в сталях карбиды (Сr, Mo, W, V, Ti): карбиды располагаются по границам зерна и затрудняют его рост при нагреве. Таким образом, легированные стали (за исключением марганцевистых) при термической обработке не склонны к перегреву; нагревать их можно до более высоких температур, чем углеродистые стали.

Время выдержки устанавливается несколько большее, чем для углеродистых сталей, так как легированная сталь обладает худшей теплопроводностью и полный прогрев изделия требует большего времени. Кроме того, для получения лучших механических свойств необходима выдержка, чтобы полностью растворились легированные карбиды в аустените.

Скорость охлаждения при термической обработке устанавливается в соответствии с устойчивостью переохлажденного аустенита и величиной критической скорости закалки. Практически это приводит к тому, что многие легированные стали закаливаются на мартенсит в масле, т. е. при меньшей скорости охлаждения, чем углеродистая сталь.

Легированная сталь обладает большей прокаливаемостью, чем выше степень легированности сталей, тем более глубокой прокаливаемостью они обладают (рис. 1). Легирующие элементы в стали влияют на устойчивость мартенсита при отпуске

Рис. 1 Зависимость прокаливаемости от содержания в стали легирующих элементов: 1-- стали низкой прокаливаемости (углеродистые), 2 -- стали средней прокаливаемости (например, хромистые), 3 -- стали повышенной прокаливаемости (например, хромоникелевые), 4 -- стали высокой прокаливаемости (хромомарганцевокремниевые и другие сложнолегированные); закаленный слой заштрихован

Например, в инструментальных быстрорежущих сталях карбидообразующие элементы W, Mo, V, Сг способствуют образованию красностойкого мартенсита. Благодаря этому высокая твердость стали сохраняется до температур 560--600° С, тогда как мартенсит углеродистой стали начинает распадаться при 200--240° С, что снижает твердость стали. Высокая красностойкость -- весьма ценное свойство инструментальной стали. Инструмент в процессе резания нагревается, и, если сталь не красностойка, она теряет твердость и режущие свойства.

Кроме перечисленных особенностей, при отпуске легированной стали можно наблюдать явление отпускной хрупкости, т. е. понижение ударной вязкости, происходящее несмотря на уменьшение твердости. Причиной отпускной хрупкости является выделение хрупких фаз по границам зерен у таких широко распространенных сталей, как хромистые, хромоникелевые и др. Можно полностью избежать отпускной хрупкости, охлаждая такую сталь после отпуска не на воздухе, а в масле (крупные детали -- даже в воде), а также применяя хорошо раскисленную сталь или другие марки стали, содержащие молибден или вольфрам, препятствующие выделению хрупких фаз.

Отметим, наконец, еще одну важную особенность термической обработки легированной стали. При закалке большинства сталей часть зерен высоколегированного аустенита мартенситного превращения не претерпевает, и в структуре стали сохраняется некоторое количество остаточного аустенита. Так как аустенит имеет невысокую твердость (НВ 170 - 220), закаленная сталь обладает несколько меньшей твердостью и пониженной износоустойчивостью. Значительного превращения остаточного аустенита в мартенсит отпуском у не удается добиться. Исследования, проведенные советскими учеными, показали, что превращения остаточного аустенита в мартенсит можно достигнуть глубоким охлаждением до минус 65 --минус 70° С. После выдержки изделий при низких температурах в течение 1--2 часов в их структуре происходит полное превращение остаточного аустенита в мартенсит, и твердость, а вместе с ней и износоустойчивость изделий повышаются.

2. Приведите схему и опишите технологический процесс изготовления деталей из термопластов методом литья под давлением. Укажите область применения

Литье под давлением термопластов - один из наиболее важных и распространенных методов переработки полимерных материалов. История метода начиналась с применения машин плунжерного типа. В современном представлении, под литьем под давлением термопластов понимают, применение высокотехнологичных машин червячного типа, тоесть машин с червячной пластикацией материала. Первоначально метод литья под давлением полимеров был разработан для таких материалов как ацетобутират целлюлозы, полиметилметакрилат и полистирол. На данный момент этим методом перерабатываются практически все термопластичные материалы.

Метод характеризуется высокой продуктивностью, т.к. нагрев полимера происходит вне формы и позволяет получать поштучные изделия массой от 1 грамма до 100 кг. Изделия, полученные данным методом, имеют высокую прецезионность и требуют минимальной механической обработки. Этим методом можно перерабатывать композиционные материалы, изготавливать детали с арматурой, получить изделия сложной конфигурации, перерабатывать композиционные материалы. Существует возможность полной автоматизации производства.

В большинстве справочников и спецификациях к оборудованию, производительность термопластавтоматов указывают - по полистиролу. Например, максимальный объем впрыска, или пластикационная способность машины.

Суть метода литья под давлением термопластов заключается в переведении материала в вязкотекучее состояние под действием тепла материального цилиндра с последующим впрыском гомогенизированного материала в форму, которая имеет температуру достаточную для затвердевания расплава (переход материала в кристаллическое или стеклообразное состояние). Впрыск в форму происходит за счет поступательного движения шнека или плунжера в сторону формы, исключение составляет метод интрузии, где впрыск происходит по особому механизму, который будет рассмотрен отдельно (см. ниже).

Рис 1 Фотография литьевой машины

Особенности процесса литья под давлением термопластов

Цикл формования изделия можно представить следующим образом:

Рис 1 Цикл формования изделий: 1 - Пластикация материала в цилиндре машины; 2 - Смыкание формы с усилием запирания; 3 - Впрыск расплава и выдержка под давлением изделия; 4 - Охлаждение изделия; 5 - Раскрытие пресс-формы и извлечение изделия

Сыпучий материал в виде гранул (хлопьев, порошка или частиц другой формы) находящийся в бункере, поступает в материальный цилиндр литьевой машины, где вращающийся червяк производит забор материала. Полимер в результате тепла подводимого нагревателями и тепла образующегося в результате внутреннего трения начинает плавиться, при этом он перемещается от зоны загрузки к зоне дозирования, а червячный винт по мере пластикации отходит назад в сторону зоны загрузки. В результате происходящего процесса перед червяком образуется порция гомогенизированного материала. Когда она набрана шнек двигается в режиме поршня при помощи гидравлики он двигается вперед и расплав впрыскивается в заранее сомкнутую литьевую форму.

Рис. 2 Принципиальная схема машины с червячной пластикацией расплава: 1 - бункер; 2 - привод; 3 - гидроцилиндр впрыска; 4 - поршень гидроцилиндра; 5 - корпус; 6 - червяк; 7 - пластикационный цилиндр; 8 - неподвижная плита; 9 - подвижная плита; 10 - поршень гидроцилиндра механизма смыкания формы; 12 - полуформы; 13 - литниковая втулка

Подвижная плита 9 на которой закреплена левая полуформа перемещается под действием гидравлической системы (10,11) в сторону материального цилиндра 7 прижимаясь к неподвижной плите 8 (правой полуформе) и смыкаясь с ней. После этого шнек 6 благодаря поступательному движению давит на порцию расплава, которая под большим давлением (от 50 до 250Мпа) через литниковую втулку 13 попадает в центральный литник формы, далее расплав по разводным каналам поступает к впускным отверстиям, за которыми находится оформляющая полость формы. Расплав, заполняя эту полость, принимает форму будущего изделия. После впрыска, на материал в форме, некоторое время продолжает действовать давление создаваемое червяком, что регламентируется технологически установленным параметром процесса (стадия выдержки под давлением). После окончания выдержки под давлением шнек начинает вращаться, набирая новую порцию материала для следующей отливки. В это время происходит охлаждение (затвердевание) изделия в форме. После набора новой порции происходит размыкание формы и выталкивание готового изделия. Далее форма смыкается, и цикл повторяется снова.

В цилиндре в зависимости от происходящих физических процессов различают 3 зоны: зона загрузки; зона плавления; зона гомогенизации.

В зоне загрузки твердые частички захватываются гребнями червяка и по его винтовым каналам транспортируются вперед. Для перемещения материала коэффициент трения материала об стенки должен быть выше чем о червяк. Поэтому червяк имеет идеально гладкую полированную поверхность, а материальный цилиндр - более шероховатую (иногда на нем наносится специальная насечка). Для предотвращения термоокислительной деструкции и во избежание образования пробки на поверхности которой окажется слой расплава, зона загрузки охлаждается хладагентом (водой).

На определенном витке червяка происходит плавление материала, зону в которой полимер переходит в вязкотекучее состояние называют зоной плавления.

В зоне плавления материал меняет свой объем, т.к. выходит воздух ранее находящийся между частицами материала. Технологически в этой зоне необходимо производить сжатие материала, что успешно реализуется уменьшением шага червяка или глубины его нарезки. Поэтому вторую зону материального цилиндра еще называют - зоной сжатия.

В зоне дозирования - происходит выравнивание температуры, плотности и однородности материала, происходит его окончательная пластикация и гомогенизация.

Процесс формования самого изделия начинается с момента впрыска, и заканчивается охлаждением изделия и размыканием формы.

Параметры технологического процесса:

давление впрыска;

температура по зонам цилиндра;

температура формы;

скорость оборотов шнека;

усилие смыкания полуформы;

давление подпора и др.;

Выше перечисленные параметры влияют на время цикла формования изделия. Установка параметров переработки производится в зависимости от перерабатываемого полимерного материала и корректируется технологом для оптимизации процесса изготовления изделий.

Требования к материалам перерабатываемым методом литья под давлением

Материалы как правильно должны иметь низкую молекулярную массу для обеспечения хорошей текучести расплава. Низкая вязкость и более высокий ПТР обеспечивает хорошую перерабатываемость при работе с формами сложной конфигурации. Исключения составляют изделия с повышенной прочностью, где рекомендуется применять полимеры с большой молекулярной массой, а, следовательно, и вязкостью.

Разновидность процессов литья под давлением термопластов

По типу литниковой системы различаю холодноканальное и гарячеканальное литье. В большинстве случаев применяют холодно-канальное литье из-за его простоты, однако последнее время все чаще используют обогреваемые литниковые системы. Температура расплава в литниках поддерживается на уровне температуры в материальном цилиндре. В результате этого расплав в каналах не «замерзает» в сравнении с холодно-канальным литьем, уменьшается сопротивление течения и расход материала. Для отливки изделий необходимо меньшее давление что приводит к экономии энергоресурсов. Изделия, получаемые гаряче-канальным литьем, имеют более высокое качество из-за низкой концентрации внутренних напряжений. Метод применяется для изготовления тонкостенных изделий, а также изделий имеющих большую площадь.

Способ интрузии - основан на самопроизвольном заполнении формы под давлением создаваемым вращательным движением шнека который находится в левом положении. При этом сопротивление литниковой системы должно быть минимальным литниковые каналы по возможности выполняют максимально большого сечения. Для обеспечения необходимого давления рекомендуется использовать шнек с обратным конусом. Способ используют при изготовлении толстостенных крупногабаритных изделий. Масса таких изделий может значительно превышать максимальный объем дозы, которую способен накопить червяк при его отведении в крайнее правое положение. Этим способом перерабатывают материалы с большой вязкостью и широким интервалом Ттекучести - Тдеструкции.

Инжекционное пресс-литье - заключается в двухстадийном формовании изделия с использованием поэтапного смыкания формы. Сначала осуществляется впрыск необходимой дозы расплава в полость формы, которая имеет увеличенный объем в сравнении с объемом изделия (1 ступень смыкания). Второй этап представляет собой раздавливания расплава по всей полости формы вследствие концевого смыкания формы до 2й ступени смыкания за счет увеличения давления в узле запирания литьевой машины. Пресс-литье используется для производства тонкостенных крупногабаритных изделий. Такой способ позволяет уменьшить давление литья на 50-80%, реальные значения могут достигать 250-320 МПа.

Многокомпонентное литье - к этому методу относят литье при котором в одном гнезде формы получают монолитное изделие состоящее из нескольких частей (от 2 до 4), соединенных между собой, но различных по цвету или типу полимера. Метод разделяют: на открытое литье - когда отдельные части изделия видимые, т.к. изделие формуется из одного и того же материала только разного цвета (упрощенное название - «многоцветное литье»); и закрытое литье - при котором видимой является только одна часть, а остальные являются внутренними (второе название многополимерное литье т.к. используется разное сырье).

Литье под давлением со вспениванием: литье при низком давлении - заключается в том, что объем дозы впрыснутого материала с растворенным газом, который образуется при разложении порофора в пластикационном цилиндре, является меньшим, чем объем гнезда формы. При условии низкого давления, которое есть в форме, газ выделяется из массы, образуя давление 10 МПа, вследствие чего масса вспенивается с образованием мелких пузырьков и материал увеличивается в объеме заполняя при этом всю полость формы. Увеличение объема происходит от 10-50%. Степень пористости регулируется количеством введенного порофора. При таком способе получают изделия с шероховатой поверхностью, которая может имитировать разнообразные текстуры декоративных и природных материалов. Преимуществами этого метода является также большая скорость вспенивания от 0,1-1 секунды в зависимости от размера изделия. Давление при таком литье необходимо только для преодоления сопротивления при течении через сопло и литниковые каналы и поэтому составляет 50% давления, необходимого для литья монолитных изделий. Благодаря низкому давлению литья на смыкание формы необходимо небольшое усилие, что упрощает конструкцию узла смыкания и уменьшает энерго затраты. Чаще всего метод вспенивания под низким давлением применяют для изготовления крупногабаритных изделий.

Литье при высоком давлении - после полного заполнения полости формы при впрыске и образовании внешней оболочки при охлаждении, форма частично размыкается. Газ, который находился в объеме материала, быстро расширяется и при этом приводит к вспениванию внутренних шаров материала. Степень вспенивания регулируется высотой частичного размыкания формы и временем до начала этого размыкания. Увеличить объем гнезда также можно за счет вытягивания съемных вкладышей из гнезда сомкнутой формы, такую технологию предлагают компании Toshiba и Asahi. Известно также исполнение сравнимое с многокомпонентным литьем, а именно раздельное литье монолитной оболочки и внутренней пористой части изделия (компания ICI). Материалы при этом впрыскиваются из раздельных материальных цилиндров. Для обеспечения необходимой степени вспенивания форма после окончательного заполнения частично размыкается. Разновидностью этого метода является литье через двухканальное сопло (Battenfeld). Материал сердцевины может быть наполнен токопроводящим наполнителем, в результате изделие обладает экранирующим эффектом.

Литье с газом "gas-assisted injection molding" (GAIM) - можно выделить как отдельный высокотехнологический метод переработки полимеров на базе метода литья под давлением. Литье пластмасс с использованием газа получило широкое распространение с начала 1990-х годов и в настоящее время является одной из наиболее популярных литьевых технологий. Особенностью процесса является то, что кроме давления, создаваемого червяком машины, на расплав действует газ, подаваемый в форму, через специальные впускные отверстия. Метод литья с газом дает расширенные возможности конструктору изделия по сравнению с обычным литье под давлением. В частности эта технология позволяет получать изделия, которые трудно или невозможно получить обычным литьем: толстостенные и полые изделия, а также изделия с большой разнотолщинностью. Существует множество запатентованных технологий литья с газом, что создает затруднение при классификации и описании данного вида литья под давлением. На сегодняшний день известно более 20 технологий. Изготовители оборудования для литья с газом имеют контракты или образуют альянсы с конкретными компаниями, владеющими патентами. Это необходимо учитывать при приобретении оборудования. При литье с газом уплотнение полимера происходит за счет давления газа непосредственно на область изделия или вблизи этой области, поэтому процесс уплотнения проходит легче, чем в обычном литье под давлением. Литье с газом позволяет получить изделия с хорошим качеством поверхности, без утяжек и коробления, с минимальным уровнем остаточных напряжений, т.е. с высокой стабильностью размеров. При литье с газом применяются обычные литьевые машины, и это является одной из причин популярности этой технологии. Одно из преимуществ литья газом - возможность использования литьевых машин с существенно меньшим усилием замыкания, что дает большой экономический эффект при литье крупногабаритных изделий.

В качестве газа обычно применяется азот, который имеет низкую цену, инертен и доступен. При небольших объемах производства источником газа являются баллоны с азотом, при больших - специальные генераторы азота. Перед окончанием цикла литья азот откачивают из изделия и используют в следующих циклах. В некоторых вариантах технологии вместо азота используют сжатый воздух. Однако кислород, содержащийся в сжатом воздухе может взаимодействовать с расплавом ряда полимеров. Технологии литья с подачей газа в расплав полимера эффективны для получения изделий следующих типов: разнообразные ручки, вешалки для одежды, подлокотники офисных кресел, автомобильные бамперы и панели приборов, корпусные детали телевизоров, мониторов, компьютеров, медицинского оборудования, оргтехники, бытовой техники, пластмассовая мебель, панели, тара, и т.д.

Рис 3 Принципиальная схема литья под давлением с газом

Water Assisted Molding (WAM) -- литье под давлением с водой. Данный метод похож на Gas Cool, но для охлаждения используется вода вместо газа. Это позволяет добиваться ещё большего снижения времени в фазе охлаждения -- до 60%. Кроме того, WAM улучшает внутреннюю поверхность изделия и снижает общий вес изделия. Для реализации технологии требуется холодильное оборудование -- давление воды -- до 300 бар, скорость потока -- 1,8л/сек.

Недостатки WAM -- нельзя использовать для изделий с комбинацией тонкой и толстой секций, требуются дополнительные инвестиции и большая безопасность производства.

В целом, при выборе между Gas Cool и WAM рекомендуется: Gas Cool -- для комбинации тонких и толстых секций, различные виды ручек. WAM -- для цилиндрических компонентов, толстостенные ручки.

Рис 4 Water Assisted Molding (WAM) -- литье под давлением с водой

«Сэндвич литье» -метод заключается в двустадийном смыкании форм и последовательном впрыске двух материалов - без и со вспенивающими добавками, после чего создается давление формования. Процесс идет в 2 стадии. При таком методе создаются облегченные изделия, которые не уступают по прочности изделиям без внутренних пор.

Это обусловлено тем, что внешний слой изделия ориентированный в направлении литья, а средний слой, находящийся между наружным слоем и слоем поропласта ориентирован в радиальном направлении от действия газа. Эти изделия могут выдерживать большие нагрузки без деформации. Метод экономит до 30% полимера. Кроме того, внутренний слой изделия можно формовать из недорогих или вторичных полимеров.

Pim-Технология - новый процесс формирования сложных изделий, изготавливаемых из керамических или металлических порошковых материалов. Технология литья под давлением порошковых материалов все чаще используется при изготовлении сложных деталей промышленного или бытового назначения. Наряду с другими технологическими процессами формовки, такими, как прецизионное литье, литье порошковых материалов широко применяется при осевом или изостатическом формовании. Детали, изготовленные из керамического или металлического порошкового материала, находят применение в автомобилестроении, станкостроении, при производстве магнитов, в текстильной промышленности, в часовой промышленности, для производства товаров народного потребления, в прецизионных механизмах, в медицине, стоматологии и фарфоровой промышленности. В принципе, все материалы, представленные в форме спекаемого порошка могут быть смешаны с соответствующим пластикатом и переработаны на литьевой машине. В качестве наиболее часто встречающихся следует упомянуть металлические порошки, а также порошковые оксиды, карбиды и силикаты. Для переработки металлических или керамических порошковых материалов требуется осуществить перемешивание порошкового основания и пластиката, обеспечив таким образом гомогенизацию смеси, после чего (с помощью специального экструдера) получить гранулированный материал. Этот гранулят, иными словами сырье, подготовленное для литья под давлением, пластифицируется в цилиндре пластикации ТПА (термопластавтомата), а затем впрыскивается в пресс-форму. Из полученной детали сначала удаляется пластикат - связующее вещество, после чего полученная заготовка подвергается термической обработке в специальных печах спекания. Литье металлических и керамических материалов становится экономически эффективным, когда сложные детали высокой точности исполнения требуется производить в больших количествах. Строгая последовательность литьевого рабочего цикла и стабильность процесса позволяют производить первичные заготовки из порошковых материалов. Детали с внутренними резьбами, выемками сложной формы и высоким качеством поверхности могут производиться быстро и качественно на термопластавтоматах в ручном или автоматическом режимах.

Рис 5 Примеры изделий изготовленых методом литья под давлением

Список используемой литературы

1. Остапенко Н.Н.,Крапивницкий Н.Н. Технология металлов. М. Высшая школа, 1970.

2. Арзамасов Б.Н., И.И. Сидорин, Г.Ф. Косолапов и др. Материаловедение: Учебник для ВТУЗов. 2-е издание., испр. и доп. Москва.: Машиностроение, 1986. 384 с.

3. http://www.krugosvet.ru.

4. http://ru.wikipedia.org.

5. http://www.markmet.ru/.

6. http://www.metaltrade.ru.

Размещено на Allbest.ru