Применение стали и чугуна

Размещено на http://www.allbest.ru/

1. Выберите и обоснуйте способ определения твердости заготовки из мягкой стали. Опишите этот способ. Укажите его достоинства и недостатки

сталь чугун полимерный армированный

Твердомеры - это специальные приборы, которые используют для осуществления контроля твёрдости деталей, не разрушая её структуру. Контроль твёрдости металла необходим на любых производственных участках, в частности на машиностроительных предприятиях, во время проведения контроля качества изделий, при входном контроле заготовок и сырья, в лабораториях и научно-исследовательских центрах, когда производится разработка новых материалов и конструкций.

Наиболее мягкие изделия определяют по шкале Бринелля или Шора.

Измерение твёрдости по методу Шора заключается в измерении глубины проникновения в материал стального стержня при нужном усилии. Метод Бринелля осуществляется с помощью микроскопа, благодаря которому измеряют глубину и диаметр отпечатка шарика, который внедрен в материал.

Методика проведения испытаний и расчёт твёрдости

Принципиальная схема

Этот метод относится к методам вдавливания. Испытание проводится следующим образом: вначале дают небольшую предварительную нагрузку для установления начального положения индентора на образце, затем прилагается основная нагрузка, образец выдерживают под её действием, измеряется глубина внедрения, после чего основная нагрузка снимается. При определении твёрдости методом Бринелля, в отличие от метода Роквелла, измерения производят до упругого восстановления материала. Индентор (полированный закалённый стальной шарик) вдавливают в поверхность испытуемого образца (толщиной не менее 4 мм) с регламентированным усилием. Через 30 с после приложения нагрузки измеряют глубину отпечатка. В другом варианте усилие прилагается до достижения регламентированной глубины внедрения. Твёрдость по Бринеллю HB рассчитывается как «приложенная нагрузка», делённая на площадь поверхности отпечатка:

,

где -- приложенная нагрузка, Н;

-- диаметр шарика, мм;

-- диаметр отпечатка, мм,

или по формуле:

,

где -- глубина внедрения индентора.

Нормативными документами определены диаметры индентора, время экспозиции, глубина внедрения индентора.

§ В России регламентированные нагрузки 49 Н, 127 Н, 358 Н, 961 Н, диаметр шарика 5 мм, глубины внедрения от 0,13 до 0,35 мм.

В разных спецификациях эти значения различны.

§ Наиболее распространённые диаметры шарика -- 10, 5, 2,5 и 1 мм и нагрузки 187,5 кгс, 250 кгс, 500 кгс, 1 000 кгс и 3 000 кгс.

§ Для выбора диаметра шарика обычно используют следующее правило: диаметр отпечатка должен лежать в пределах 0,2--0,7 диаметра шарика.

§ В методиках ISO и ASTM объединены метод с одним шариком и разными нагрузками и метод с применением разных шариков, а также дана формула вычисления твёрдости, не зависящей от нагрузки.

Твёрдость по шкале Бринелля выражают в кгс/ммІ.

Для определения твёрдости по методу Бринелля используют различные твердометры, как автоматические, так и ручные.

Материал	Твёрдость
Мягкая сталь	120 HB
Нержавеющая сталь	250 HB
Инструментальная сталь	650--700 HB

Недостатки

§ Метод можно применять только для материалов с твердостью до 450 HB, если применять стальной закаленный шарик. Как альтернатива, применяют шарики из твёрдого сплава на основе карбида вольфрама (WC), это позволяет повысить верхний предел измерения твёрдости до 600 HBW.

§ Твёрдость по Бринеллю зависит от нагрузки, так как изменение глубины вдавливания не пропорционально изменению площади отпечатка.

§ При вдавливании индентора по краям отпечатка из-за выдавливания материала образуются навалы и наплывы, что затрудняет измерение как диаметра, так и глубины отпечатка.

§ Из-за большого размера тела внедрения (шарика) метод неприменим для тонких образцов.

Достоинства

§ Зная твёрдость по Бринеллю, можно быстро найти предел прочности и текучести материала, что важно для прикладных инженерных задач:

Для стали

,

где -- предел прочности.

,

где -- предел текучести.

Для алюминиевых сплавов

Для медных сплавов

§ Так как метод Бринелля -- один из самых старых, накоплено много технической документации, где твёрдость материалов указана в соответствии с этим методом.

§ Данный метод является более точным по сравнению с методом Роквелла на более низких значениях твёрдости (ниже 30 HRC).

§ Также метод Бринелля менее критичен к чистоте подготовленной под замер твёрдости поверхности.

2. Диаграмма железо - углерод

У белого чугуна весь углерод находится в виде цементита, поэтому при медленном нагревании до 1300^о С весь цементит перейдет в жидкое состояние.

3. Какие чугуны обладают наиболее высокими механическими свойствами? Укажите их применение, марки, способ получения

1. Чугуны: классификация, маркировка, химический состав, механические и технологические свойства, применение.

Чугуны нашли широкое применение в качестве машиностроительных материалов благодаря сочетанию высоких литейных свойств, достаточной прочности, износостойкости, а так же относительной дешевизны. Чугуны используются для производства качественных отливок сложной формы (станины станков, корпуса приборов и т.д.). Чугунами называются сплавы железа с углеродом и некоторыми другими элементами (Si, Mn, S, P), причем содержание углерода в чугунах более 2,14 %. Свойства чугунов определяются металлической основой (матрицей), а также количеством, формой и расположением в ней графитовых включений. В зависимости от того, в какой форме присутствует углерод в сплаве, чугуны подразделяются на: белый, серый, ковкий, высокопрочный и легированный, обладающий особыми свойствами (жаропрочностью, антифрикционностью).

Белые литейные чугуны. Белыми называются чугуны, в которых весь углерод находится в связанном состоянии в виде цементитаFe₃C. Из-за большого количества цементита белые чугуны имеют высокую твердость (НВ 450-550) и хрупкость, поэтому используются только для изготовления износостойких деталей типа шаров мельниц, звездочек в галтовочных барабанах, облицовочных плит для щековых дробилок, прокатных валков с отбеленной поверхностью и т. д. В связи с высокой хрупкостью белые чугуны имеют очень ограниченное применение и поэтому не маркируются.

Серые литейные чугуны. Серыми называются чугуны с пластичной формой графита. Чугуны являются сплавами со сложным химическим составом, содержащими C, Si, Mn, S, P. Содержание этих элементов колеблется в следующих пределах C = 2,2 - 3,7 % , Si = 1-3% , Mn = 0,2-1,1%, P = 0,12-0,3%, S =0,02- 0,15 %. По структуре серый чугун делится на три вида: - серый ферритный со структурой феррит + графит, в этом чугуне весь углерод находится в виде графита;

- серый феррито - перлитный со структурой феррит + перлит + графит; в этом чугуне количество связанного графита менее 0.8%;.-серый перлитный со структурой перлит + графит; в этом чугуне количество связанного графита составляет ~ 0.8%; Наиболее высокими механическими свойствами обладает серый чугун с перлитной структурой.

В обозначениях марки чугуна буквы “СЧ” обозначают “серый чугун”, а число после букв - предел прочности при растяжении.

Так как относительное удлинение у серых чугунов составляет<0,3%,то маркировке оно не указывается.

Из перлитных серых чугунов наивысшими механическими свойствами обладают чугуны, модифицированные ферросилицием или силикокальцием. При модифицировании измельчаются графитовые включения, в результате достигается прочность у_B = 1000--1200 МПа.

Высокопрочные чугуны. 1. Высокопрочными называются чугуны, в которых графит имеет шаровидную форму. Получение в чугуне шаровидной формы графита достигается при модифицировании серого чугуна некоторыми химическими элементами Mq, Ca, Ce и т.д. в количестве 0,05--0,1 %. Чугун после модифицирования имеет следующий химический состав: С=3,0-3,6 %, Si =1,1--2.9 %, Mn =0.3--0.7 %, S<0.02 %, P<0.01 %. По структуре металлической основы (матрицы) высокопрочный чугун может быть ферритным, феррито - перлитным и перлитным. Шаровидный графит является менее сильным концентратором напряжений, поэтому имеет более высокие механические свойства, чем серый чугун. Чугуны с шаровидным графитом обладают более высокой прочностью и некоторой пластичностью. Так же как и у серых чугунов, наиболее высокими свойствами обладает высокопрочный чугун с перлитной структурой.

Высокопрочный чугун эффективно заменяет сталь во многих изделиях и конструкциях, так как обладает не только прочностью, но и пластичностью. В некоторых случаях для улучшения механических свойств, применяют термическую обработку отливок (закалку, отпуск, отжиг).

В обозначении марки чугуна буквы «ВЧ» обозначают «высокопрочный чугун», а число после букв - предел прочности при растяжении у_B в кг/мм².

Ковкие чугуны. Ковкими называются чугуны, в которых графит имеет хлопьевидную форму. Такие чугуны получаются путем длительного отжига белого доэвтектического чугуна. Хлопьевидный графит, в отличие от пластинчатого, меньше снижает механические свойства металлической основы, в следствии чего ковкий чугун обладает более высокой прочностью и пластинчатостью, чем серый чугун.

Для обеспечения получения хлопьевидного графита после отжига исходные белые чугуны должны иметь пониженное содержание углерода и кремния. Химический состав исходного белого чугуна находится в пределах: С=2,4-2,9% ,Si=1,0-1,6% , Mn=0,2-1,05% , S<0,2%, P<0,18.%.

По структуре металлической основы ковкие чугуны бывают ферритными и перлитными. Перлитные ковкие чугуны имеют более высокий предел прочности, но пониженную пластичность.

Ковкий чугун во многих случаях заменяет детали из стали, так как по механическим свойствам детали приближаются к стальным, а по цене получаются на 20-30% дешевле. Недостатком технологии получения ковких чугунов является сложность и большая энергоёмкость процесса, поэтому ковкий чугун ни в Советском Союзе, ни в странах СНГ распространения не получил. В основном ковкий чугун используется для изготовления ответственных отливок, испытывающих при эксплуатации значительные динамические и знакопеременные нагрузки (например, коленчатые валы, ступицы грузовиков, приводные цепи конвейеров и др.)

В обозначении марки ковкого чугуна буквы «КЧ» означают «ковкий чугун». Первая пара цифр - предел прочности в МПа, вторая пара цифр -относительное удлинение в %.

Легированные чугуны. Легированные чугуны получаются при введении в их состав легирующих компонентов (Cr, Si, Al, Ni, Mn и др.) Легирование производится для получения каких либо особых свойств: износостойкости, жаростойкости, коррозионной стойкости и др.

Из легированных чугунов можно выделить следующие группы:

износостойкие чугуны;

жаростойкие чугуны;

жаропрочные чугуны;

коррозионностойкие чугуны;

антифрикционные чугуны.

Легированные чугуны маркируются по типу сталей: первые буквы означают вид чугуна: Ж-жаростойкий, А-антифрикционный, Ч-жаропрочный или коррозионностойкий. Следующие буквы обозначают наличие легирующих элементов (Х-хром, С-кремний, Ю-алюминий, Д-медь, Н-никель, Г-марганец, М-молибден, В-вольфрам). Цифры после букв указывают примерное содержание легирующего элемента в процентах. Если цифры нет, то содержание легирующего элемента соответствует ~1 %.

Например, ЖЧЮ 7Х2- жаростойкий чугун, алюминия -7 %, хрома -2 %.

Износостойкие чугуны. Износостойкость чугуна повышается при увеличении в структуре количества карбидов как простых (цементита), так и специальных (карбидов хрома, вольфрама, ванадия и т.д.). Металлическая матрица должна прочно удерживать твердую составляющую (карбиды) и предотвращать ее хрупкое разрушение. Характерным представителем износостойких чугунов является высокохромистый износостойкий чугун ИЧХ20М2Г3Н2. Средний химический состав высокохромистого чугуна: С = 2,6-3 %, Si = 0,3-1,4%, Mn = 0,5-5,5% Cr = 12-30%, Mo=0,4-4%, Ni = 0-3% , S?0,08% , P?0,1%.

Износостойкость высокохромистого чугуна превышает сталь Ст20 от 6 до 14 раз. В условиях гидрообразивного износа стойкость высокохромистого чугуна превышает, износостойкость высокомарганцевой стали Г13Л в 6 раз.

Существуют и другие виды износостойких чугунов (белый низколегированный, ОИ-1, ИЧХ4Г7Д, нихард и т.д.), но они уступают высокохромистому по износостойкости и поэтому применяются реже.

Жаростойкие чугуны. Жаростойкие чугуны используются для изготовления деталей работающих в газовой, воздушной, щелочной средах при температурах 500-1100°С. Жаростойкостью чугуна по ГОСТ 7769-85 называется способность сопротивляться росту и окалинообразованию при заданной температуре. Сопротивление окислению чугуна обусловлено наличием на поверхности плотных защитных окисных пленок (окислы Al , Si , Cr) , которые предохраняют металл от последующего окисления при высоких температурах. Жаростойкие чугуны бывают хромистые, кремнистые и алюминиевые. Средний химический состав жаростойких чугунов:

С=2,0-3,9%, Si=1,5-6,0%, Mn=0,4-1,0%, Cr=0,5-32%, Al=19-25%.

Структура хромистого чугуна состоит из ферроидизированного перлита, отдельных включений карбидов и графита. В высокохромистом сплаве (26-30% Cr ) структура состоит из твердого раствора хрома в б-железе и карбидов в виде карбидной эвтектики ( при С>2% ) .

Механические свойства и назначение некоторых марок жаростойкого чугуна

При содержании Cr от 3-10% отливки получаются с высокой хрупкостью и твердостью, делающей невозможной обработку резанием. Поэтому такие чугуны находят ограниченное применение. Кремнистые чугуны отличаются хорошей обрабатываемостью резанием, так как получается ферритная структура металлической матрицы. Алюминиевые чугуны даже с содержанием алюминия 8% имеют такое же сопротивление окислению, как нихром- сплав с 80% Ni и 20% Сr и жаростойкостью 800°С. При легировании алюминиевого чугуна хромом (~30% )и кремнием (~6%) жаростойкость возрастает до 1200° С при одновременном повышении прочности и сохранении литейных свойств.

Жаропрочные чугуны. Жаропрочные чугуны применяются для изготовления деталей, работающих под нагрузкой при повышенных температурах ( до 600°С ). Марки жаропрочных чугунов обозначаются буквой «Ч», остальные обозначения такие же, как у всех остальных. Буква «Ш» в конце обозначения означает «с шаровидным графитом». Наиболее высоким уровнем жаропрочных свойств обладает аустенитный чугун с шаровидной формой графита. Отличительной особенностью структуры аустенитного чугуна, легированного хромом и магнием, является наличие в структуре карбидной составляющей, количество которой составляет 50%. Мелкодисперсные структуры показывают более высокую жаропрочность, поэтому жаропрочные чугуны подвергают специальной термообработке - гомогенизирующему отжигу. (1050° С- 4 часа)

Аустенитный жаропрочный чугун имеет следующий состав:

С=2,5-3,0%, Si=1,8-2,5%, Mn=1,0-8,0%, Cr=1,0-3,5% ,Ni=10-20%, S?0,05%, P?0,03%.

Механические свойства и назначение некоторых марок жаропрочного

Коррозионностойкие чугуны. Коррозионностойкие чугуны применяются для изготовления деталей с высокой коррозионной стойкостью в различных рабочих средах (морской воде, растворах кислот, расплавах солей, в перегретом водяном паре, в сернистых газах и т. д.). Для повышения коррозионной стойкости чугун легируется в основном Cr , Ni, Cu и другими элементами, которые создают на поверхности чугуна защитные (пассивирующие) пленки, а так же легируют металлическую матрицу (преимущественно, феррит) образуя химические соединения с высоким химическим потенциалом. Происходящее при этом измельчение структуры понижает число микропор и уменьшает разность потенциалов между отдельными структурными составляющими.

Коррозионностойкие чугуны делятся на следующие группы:

низколегированные чугуны (Cr до 1%, Ni до 1%);

высококремнистые чугуны (ферросилиды);

кремнемолибденовые чугуны (антихлоры);

аустенитные никелевые чугуны (нирезист);

высокохромистые чугуны.

Каждая группа чугунов применяется в особых, специфических условиях, для которых и была специально разработана.

Коррозионностойкие чугуны широко применяются в химическом машиностроении, на железнодорожном транспорте для перевозки продуктов химической промышленности , в металлургическом машиностроении и др.

Антифрикционные чугуны. Антифрикционные чугуны (ГОСТ 1585-85) применяются для изготовления подшипников скольжения, работающих в присутствии смазки. Из антифрикционного чугуна изготавливаются цилиндры, поршни, станины, зубчатые колеса, втулки, вкладыши подшипников и т.д. Наиболее важными свойствами антифрикционного чугуна являются высокая износостойкость, хорошие литейные свойства и низкая стоимость. Главный недостаток антифрикционного чугуна - пониженная по сравнению с бронзой прирабатываемость. Средний химический состав антифрикционного чугуна: С=2,5-3,8 %, Si=0,8-2,7 %, Мп=0,3-1,2 %, Р<0,15 %, S<0,03 %, Cr=0,2-0,4 %, Ni=0,2-0,4 %, Ti=0,1 %, Cu=0,3-0,7 %. (ГОСТ 1585-85).

Антифрикционные чугуны легируются хромом, никелем, титаном и медью, что позволяет получить мелкодисперсную структуру перлит+феррит.

Маркируется антифрикционный чугун буквами АСЧ, АВЧ, АКЧ, что означает антифрикционный серый, антифрикционный высокопрочный или антифрикционный ковкий. Последний (АКЧ) применяется с термообработкой, остальные без термообработки. Для нормальной работы деталей из антифрикционного чугуна ГОСТ 1585-85 устанавливает режим работы в узлах трения.

4. Марки, состав, особенности термической обработки быстрорежущих сталей

Быстрорежущую сталь применяют для разнообразных инструментов, работающих при высоких скоростях резания (резцов, сверл, фрез и др.). Основное преимущество быстрорежущей стали заключается в том, что она обладает красностойкостью, т. е. не теряет твердость при больших скоростях резания, когда режущая кромка инструмента разогревается до 600 °С.

При этом в темноте становится заметным ее свечение темно-красным цветом. Наибольшее распространение на заводах получили три марки быстрорежущей стали: Р9, Р12 и Р18. Наряду с ними применяют стали, в которых дорогостоящий вольфрам частично заменен молибденом, кобальтом и др.: Р9Ф5, Р9К5, Р6М5 и др. Буква Р в обозначении марки стали взята из слова rapid (рапид), что в переводе с английского означает быстрый.

Стали Р9 и Р18 по красностойкости примерно равноценны. Сталь Р18 дороже, так как она содержит 18% W, в то время как в стали Р9 содержание его вдвое меньше. Однако сталь Р9 сложнее в обработке, или, как говорят, менее технологична: она склонна к обезуглероживанию, перегреву и хуже шлифуется.

Сталь Р12 при одинаковой по сравнению со сталью Р18 теплостойкости и шлифуемости в то же время обладает меньшей карбидной неоднородностью и более высокой пластичностью. К тому же она обеспечивает значительную экономию вольфрама (30%).

В связи с высокой стоимостью быстрорежущей стали инструмент с размером более 10 мм в сечении экономически более выгодно изготовлять сварным: режущую часть -- из быстрорежущей стали, а хвостовую, т. е. державку, -- из углеродистой стали 40--45 или низколегированной 40Х. Обе части соединяются с помощью стыковой сварки.

Быстрорежущая сталь относится к высоколегированным сталям, и потому после прокатки или ковки охлаждение ее даже на спокойном воздухе вызывает повышение твердости. Это затрудняет обработку резанием при изготовлении инструментов. Для снижения твердости и подготовки структуры к закалке проводят отжиг. Хорошие результаты дает изотермический отжиг, который по сравнению с обычным требует меньше времени и в то же время позволяет получить более однородную структуру.

Температура закалки стали Р9 составляет 1220-- 1240°С, а стали Р18 -- 1270-- 1290°С. При закалке инструментов сравнительно простой формы, таких как резцы, устанавливают температуру ближе к верхнему пределу, а при закалке фасонного инструмента -- ближе к нижнему. Хотя указанная температура значительно выше критических точек для данных сталей, однако такой высокий нагрев необходим для более полного растворения карбидов в аустените. Благодаря этому аустенит насыщается легирующими элементами, без чего не могут быть получены необходимые свойства после закалки.



5. Выберите и обоснуйте выбор марок сплавов для следующих деталей

а) шестерни коробки скоростей автомобиля,

б) изделия, подвергающиеся воздействию кислот,

в) втулки подшипника скольжения.

а) Шестерни, зубчатые колеса коробки скоростей автомобиля.

Шестерни и зубчатые колеса наиболее часто выходят из строя из-за контактного усталостного разрушения, торцового износа, заедания зубьев и их поломки при кратковременных перегрузках. Поэтому материал для них должен обеспечивать высокую поверхностную износостойкость, достаточную статистическую усталостную прочность при изгибе и контактном нагружении и подбираться, исходя из габаритов и конструкции шестерни, а также условий эксплуатации.

Указанным требованиям наиболее соответствуют цементуемые (нитроцементуемые) легированные стали, у которых после термообработки структура:

- поверхностного слоя - мартенсит отпуска;

- сердцевины - феррито-цементитные смеси различной дисперсности, бейнит или низкоуглеродистый отпущенный мартенсит.

Выбор марки стали и метода ее упрочнения для шестерен производят в зависимости от степени их нагруженности:

- мало- и средненагруженные зубчатые колеса - коробки передач, редукторов, задних мостов изготовляют:

1) из безникелевых сталей - 20Х, 18ХГТ, 25ХГТ, 30ХГТ, 20ХГР;

2) из малоникелевых - 20ХГНМ, 19ХГН, 20ХНМ, 20ХНР, 20ХГНР сталей;

- тяжелонагруженные, например, большегрузных автомобилей - из более легированных сталей - 12ХН3А, 20ХНЗА, 15ХГН2ТА, 15Х2ГНТРА, 20ХГН2ТА, 25Х2ГНТА.

Упрочняющая обработка шестерен включает:

- цементацию (нитроцементацию) при 900-930°С;

- закалку от 800-850°С в масле;

- низкий отпуск при 170-200°С.

Толщина упрочненного слоя обычно принимается равной 0,15 толщины зуба по начальной окружности (0,18-0,27m, m- модуль колеса, но не более 1,8 мм).

Твердость поверхности HRC 59-63 - для обеспечения высокой контактной выносливости и износостойкости без хрупкого разрушения.

Твердость сердцевины зубьев обычно HRC 30-42, c ее повышением возрастает предел прочности и выносливости при изгибе и контактная выносливость зубчатых колес.

Твердость сердцевины:

- более HRC 42-45 увеличивает опасность хрупкого разрушения;

- пониженная - способствует развитию пластической деформации в теле зуба и, следовательно, разрушению упрочненного слоя.

Мало- и средненагруженные шестерни можно изготовлять:

- в единичном и мелкосерийном производстве из улучшаемых сталей 40, 45, 50Г, 40Х, 30ХГС, 50Х, 50ХН с закалкой ТВЧ по контуру зубчатого венца;

- шестерни больших диаметров - изготовлять литыми из сталей 35Л-50Л, 40ХЛ, 30ХГСА с нормализацией и высоким отпуском (для легированных сталей).

б) Изделия, подвергающиеся воздействию кислот, изготавливаются из специальных кислотоупорных сталей.

Кислотостойкие (кислотоупорные) стали обладают высокой сопротивляемостью коррозии в условиях действия кислот, щелочей и т.п.

ГОСТ 5949-51 предусматривает следующие марки кислотостойких сталей: Х17 (ЭЖ17); Х25 (ЭИ18); Х28 (ЭЖ27, ЭИ349); 1Х18Н9 (ЭЯ1); 2Х18Н9 (ЭЯ2); Х17Н2 (ЭИ268) и др.

Сталь Х17 и Х17Н2 применяется для изготовления шарико-подшипников, втулок и других деталей, подвергающихся сильному износу и требующих антикоррозийной стойкости.

Сталь Х25 и Х28 применяется при изготовлении аппаратов для растворов азотной кислоты. Сталь 1Х18Н9 и 2Х18Н2 находит применение в авиации в качестве конструкционного материала для самолетов, а также в архитектуре при отделке зданий и для художественных украшений. Наибольшее промышленное применение имеет хромоникельтитановая сталь марки 1Х18Н9Т, она кислотостойка в азотной кислоте и ряде других агрессивных сред, а также прочна, пластична и хорошо сваривается.

К кислотостойким сталям можно отнести магнитную сталь.

Магнитной сталью называется такая сталь, которая обладает высокой магнитной проницаемостью. К этой группе сталей относятся трансформаторная и динамная, представляющие собой сплавы железа с 1-4% кремния.

Магнитная сталь применяется для изготовления постоянных магнитов, а также аппаратуры (радио, телефон и др.).

Постоянные магниты изготовляются из так называемых магнитотвердых сплавов: АН1, АН3, АНК и других (буква А указывает принадлежность стали к магнитотвердым материалам). Для той же цели применяются железоникельалюминиевые сплавы (АНК04). Динамная сталь относится к магнитомягким материалам (магнитопроводам) и обозначается марками: Э1, Э11, Э2, Э21, Э3, Э34, Э4, Э48 и др. Первые цифры указывают среднее содержание кремния в процентах. Содержание углерода в этих марках меньше 0,1%.

в) Втулки подшипников скольжения.

Технические требования к металлическим втулкам и вкладышам подшипников скольжения. Материал биметаллических втулок и вкладышей: сталь 20 с заливкой бронзами БрОЦС5--5--5, БрАЖ9--4, БрОФ10-- 1 и сплавом ЦАМ9-1.5Л. Материал монолитных втулок и вкладышей -- чугун АЧС-1, АЧК-2.

Для втулок. Продольную смазочную канавку при сборке следует располагать со стороны, противоположной направлению давления вала. Дополнительное крепление втулок при D с предельными отклонениями по k6 и n6 -- обязательно. Для вкладышей. Обточка по наружному диаметру D производится совместно верхнего и нижнего вкладышей. По внутреннему диаметру d допускается оставлять припуск под доработку.

Втулки подшипников скольжения металлические (по ГОСТ 1978--81).

Предназначены для подшипников скольжения общего назначения. Допускается фаска под углом 15°.

6. Выберите и обоснуйте выбор марок сплавов для следующих деталей

а) сверла для обработки алюминиевых сплавов,

б) крепежных деталей, работающие в условиях коррозии,

в) корпуса компрессора в реактивном самолете.

а) Сверление алюминиевых легких сплавов.

Применяемые на производстве легкие сплавы обладают значительно меньшим сопротивлением резанию, чем черные металлы.

Поэтому обработку их можно вести с повышенными скоростями резания.

Сверло для сверления отверстий в алюминиевых сплавах

Учитывая специфику обработки легких сплавов, сверление их целесообразно производить, выполняя следующие рекомендации:

у сверл для обработки алюминиевых сплавов на передней поверхности следует сделать фаску с передним углом, равным 5° (рис. 9. 12). Ширина фаски равна 0,2 - 0,6 мм в зависимости от диаметра сверла (чем больше диаметр сверла, тем шире фаска); для уменьшения осевой силы резания и получения дробленой стружки целесообразно у этих же сверл подтачивать перемычку до толщины 0,08--1,0 диаметра сверла, угол ц делать равным 45°, задний угол б = 15°;

при обработке алюминиевых сплавов (особенно дюралюмина) режущая часть сверла должна быть хромирована. Это предохраняет от прилипания к сверлу мелких частиц металла, которые усложняют сход стружки, увеличивают шероховатость обработанной поверхности и ускоряют износ сверла;

для обработки алюминиевых сплавов целесообразно применять сверла с большими углами ц и щ, чем для сверления черных металлов: угол ц должен быть равным 66-- 70°, угол наклона винтовых канавок щ=35 -:- 45°, задний угол б=8 -:- 10°.

б) Крепежные детали, работающие в условиях коррозии можно изготавливать из хромоникелевых сталей (в частности, типа Х18Н9); имеют весьма высокие антикоррозионные свойства во многих агрессивных средах. После закалки на аустенит эти стали однородны по структуре, что обеспечивает стойкость также против электрохимической коррозии. Однако в условиях повышенных температур, которые возникают при изготовлении детали или изделия, в этих сталях происходит распад аустенита с выделением по границам зерен богатых хромом карбидов и обеднением границ зерен хромом.

При использовании не легированных сталей рекомендуется использование способа защиты крепежных деталей от коррозии:

1. Защитная облицовка и покрытие,

2. Катодная защита,

3. Ингибиторы,

4. Выбор коррозионностойких материалов.

в) Корпус копрессора в реактивном самолете

Входной корпус компрессора (рис. 87) отлит из легкого магниевого сплава типа МЛ-5 и представляет собой два концентрично расположенных цилиндра, соединенных между собой шестью стойками.

Через шесть каналов, образованных стойками и цилиндрическими поверхностями корпуса, воздух поступает к заборнику колеса компрессора. Поскольку основной задачей входного устройства является обеспечение подвода воздуха к колесу компрессора с минимальными гидравлическими потерями и с равномерным тюлем скоростей и давлений, все обтекаемые поверхности тщательно обработаны, а перед стойками устанавливается специально спрофилированный обтекатель из листового материала. Между стойками и обтекателем образуется полость, по которой проходит горячий воздух, отбираемый из полости лопаточного диффузора. В результате этого стойки нагреваются, что предотвращает возможность их обледенения. Горячим воздухом обогревается и кок электростартера, который крепится к корпусу коробки приводов, расположенной внутри малого цилиндра (ступицы) входного корпуса компрессора. К заднему фланцу ступицы крепится корпус переднего подшипника ротора двигателя.

Входной корпус компрессора:

1 -- кок стартера; 2 -- обтекатель; 3 -- стойка вертикальная; 4 -- крышка коробки вспомогательных приводов; 5 -- штуцер для соединения с бачком суфлирования; 6 -- прокладка фланца бачка суфлирования; 7 -- прокладка коробки масляных фильтров; 8 -- приемник статического и динамического давления для баростата

В нижней части входной корпус переходит в прямоугольный фланец, к которому крепится коробка масляных фильтров, одновременно являющаяся и емкостью для масла.

В верхней части входной корпус переходит в коробку вспомогательных приводов, имеющую разъем в горизонтальной плоскости.

Вертикальные стойки (верхняя и нижняя) утолщены и выполнены полыми. Внутри верхней стойки проходит верхний вертикальный вал привода коробки вспомогательных приводов, в нижней стойке -- вал привода масляных насосов. В стойках просверлены каналы для подвода под давлением масла к форсункам. После смазки масло по внутренним полостям вертикальных стоек сливается в коробку масляных фильтров.

На наклонной правой верхней стойке размещается приемник статического и динамического давлений воздуха для подвода в камеру баростатического регулятора.

Входной корпус задним фланцем с помощью шпилек крепится к передней стенке компрессора.

Передняя стенка компрессора в своей внутренней части является продолжением профилированной части входного корпуса и выполнена в форме диска с отверстием в центре к двумя фланцами. К одному фланцу крепится входной корпус компрессора, а вторым фланцем передняя стенка соединяется с задним корпусом компрессора.

Передняя стенка компрессора отлита из легкого сплава типа силумин. С наружной ее стороны имеются ребра жесткости. Кроме того, жесткость обеспечивается также 28 лопатками диффузора, которые шпильками крепятся к передней стенке и заднему корпусу компрессора.

На передней стенке справа расположены фланцы для крепления распределителя топлива и барометрического регулятора. Между этими фланцами имеются два отверстия, через которые воздух отбирается для поддавливания подвесных баков и гидробака, а также для автомата приемистости.

С левой стороны расположено отверстие с фланцем для установки пневмоклапана, через который отбирается воздух в кабину самолета и антиобледенительную систему двигателя. Задний корпус компрессора является основной силовой частью статора. На нем расположены две боковые цапфы и нижний узел крепления двигателя. В верхней части корпуса имеются два рым-болта для подъема двигателя. Задний корпус компрессора отливается из легкого сплава типа силумин. На задней части корпуса равномерно по окружности имеются горловины с фланцами для крепления патрубков компрессора, по которым сжатый воздух подается из компрессора в камеры сгорания.

В задней части корпуса имеется фланец с 48 отверстиями для крепления силового конуса. На внешней поверхности заднего корпуса отлито 19 ребер жесткости, а с внутренней стороны выполнена кольцевая проточка под заднее опорное кольцо лопаточного диффузора. Равномерно по окружности корпуса расположено 28 отверстий под шпильки крепления лопаток диффузора. Вверху слева и внизу справа расположены отверстия с треугольными фланцами для отбора воздуха на охлаждение узла турбины.

Задний корпус компрессора вместе с передней стенкой и лопатками диффузора образуют закрытую полость, в которой размещено рабочее колесо компрессора.

Лопаточный диффузор служит для преобразования кинетической энергии воздушного потока в энергию давления. Он состоит из переднего и заднего опорных колец и 28 вставных алюминиевых лопаток. Лопатки после сборки диффузора образуют 28 расширяющихся каналов, в которых обеспечивается снижение скорости потока воздуха и соответствующее повышение его давления.

Ротор компрессора состоит из крыльчатки, вращающегося направляющего аппарата и переднего вала. Крыльчатка компрессора с односторонним входом воздуха изготовлена из ковкого алюминиевого сплава типа АК-5. Она имеет форму диска, в передней части которого расположены 24 радиальные лопатки. Лопатки заборника являются как бы продолжением этих лопаток. В передней части крыльчатки в ее центре имеются центровочный буртик и фланец с 12 отверстиями для крепления переднего вала. В задней части крыльчатка переходит в развитый фланец с 18 отверстиями и центровочным буртиком для крепления вала компрессора. На периферии диска имеются пять кольцевых выступов лабиринтного уплотнения, предотвращающего перетекание воздуха в полость силового конуса. Заборник ВНА своей ступицей устанавливается на передний вал компрессора и фиксируется от проворачивания двумя штифтами.

Поверхность лопаток заборника, прилегающая к лопаткам крыльчатки, выполнена конусной, что обеспечивает полное прижатие концов лопаток при наличии зазора у основания. Такой предварительный натяг увеличивает жесткость и обеспечивает снижение динамических напряжений в лопатках заборника в процессе работы двигателя.

Для компенсации смещения лопаток заборника под действием аэродинамических сил в сторону, противоположную вращению, лопатки заборника устанавливают со смешением по направлению вращения на 0,4 мм относительно лопаток колеса. В этом случае при работе двигателя лопатки прогибаются и устанавливаются строго против лопаток колеса.

Передний вал ротора компрессора полый, изготовлен из хромоникелеваиадиевой стали типа 18ХНВА. Он служит для установки заборника ВНА и переднего подшипника компрессора.

7. Опишите особенности полимерных композиционных материалов (ПКМ)

Применение.

Композиционные материалы (КМ) разработаны на основе матриц различной химической природы: полимерных (ПКМ), углеродных (УКМ), металлических (МКМ), керамических (ККМ). Комплекс эксплуатационных свойств ПКМ, УКМ, МКМ, ККМ определяется свойствами матриц, наполнителей и взаимодействием компонентов в гетерофазной структуре КМ.

К материалам 1-ого поколения относятся изотропные материалы, которые могут быть однофазными (конструкционные металлические сплавы, объемная керамика, полимеры, модифицированные низкомолекулярными добавками, смеси термодинамически совместимых полимеров и др.) или гетерофазными (композиционными), представителями которых являются материалы, наполненные дисперсными частицами (порошки, короткие волокна) и сохраняющие изотропность свойств на микроуровне. Наполнение полимеров дисперсными частицами позволяет получать ПКМ с более высоким уровнем свойств (особенно, при использовании волокон длиной в 10-100 раз большей критической длины волокна, когда реализуется механизм перераспределения напряжений с матрицы на упрочняющие волокна), а также получать ПМ со специальными свойствами (токопроводящие, электроактивные, магнитодиэлектрические, радиопоглощающие и др.). Такое наполнение не дает возможности реализовать главное преимущество ПКМ, наполненных непрерывными волокна (ВПКМ, армированные ПКМ, Composite Materials), т.е. конструировать структуры высокопрочных и высокомодульных материалов с планируемой анизотропией свойств, что особенно важно для высоконагруженных изделий авиакосмической техники.

Совершенствование ПКМ первого поколения связано с использованием наукоёмких технологий. Примерами таких материалов являются нанокомпозиты [6], использующие в качестве наполнителей дисперсные частицы наноразмеров (нм=10^-9м)керамической (Al₂O₃, SiO₂, "наноглины") и углеродной (фуллерены, нанотрубки, основное применение которых связано с микро- и нано- электроникой, молекулярной электроникой) природы.

Благодаря высоким значениями активной поверхности наночастиц, композиции приобретают ценный комплекс эксплуатационных свойств даже при малом объеме наполнения. Другое направление - получение "молекулярных" композитов на основе жидкокристаллических полимеров, мезофазы которых формируют волокнистые структуры (принцип самоармирования, самоусиления). Механические свойства анизотропных молекулярных композитов аналогичными свойствами полимеров с 20-30 % об. дисперсных наполнений (например, стеклянных волокон).

ВПКМ - материалы второго поколения, анизотропные гетерофазные композиции на основе непрерывных армирующих высокомодульных волокон в виде различных текстильных форм (нити, жгуты, ровинги, ленты, ткани). Стекло-, угле-, органопластики, поливолокнистые (гибридные) межслоевые и внутрислоевые ВПКМ широко используются в различных областях техники, особенно, в аэрокосмических конструкциях, ракетостроении, повышение эксплуатационных характеристик которых достигается и использованием специфических разновидностей ВПКМ (сотовые конструкции, многослойные супергибридные металло-полимерные, полимерно-керамические конструкционные типа Алоров и Сиалов и броневые, устойчивые к высокоскоростному инденторному воздействию, материалы). Структура ВПКМ при использовании современного расчетного аппарата, используемого для вязкоупругих тел, может быть оптимизирована по отношению к характеру внешних воздействий и сконструирована с требуемым уровнем анизотропии свойств. ВПКМ, как правило, являются материалами многофункционального назначения, которые в зависимости от свойств компонентов могут сочетать конструкционные свойства, с тепло- и термостойкостью, химостойкостью, способностью экранировать ионизирующее излучение, радиопрозрачностью, радиоэкранированием, радиопоглощением.

Токопроводящие и магнитодиэлектрические ПКМ, наполненные углеродными компонентами, ферритами, аморфными металлами являются узко- или широкодиапазонными радиопоглощающими материалами, используемыми для уменьшения радиолокационной заметности (УРЗ, технология Стелс).

Основными матрицами ПКМ являются составы на основе реактопластов (отвержденных эпоксидных, фенольных, эпоксифенальных, полипмидных связующих). Их недостатки стимулировали переход к использованию составов на основе термопластов (термопластичные связующие на основе жесткоцепных полифениленоксинов, полифениленсульфидов, полиэфиркетонов, полисульфонов, полиэфиримидов), свойства которых позволяют более полно реализовать высокие упругопрочностные свойства волокон в композиции. Пленочная и волоконная технологии переработки термопластичных ПКМ в изделия существенно упрощает и удешевляет производство изделий из ВПКМ [2, 7].

При оптимизации структур ВПКМ им придается определенный уровень "интеллектуальности", в части хотя и пассивной, но эффективной реакции материала на внешние воздействия (диссипация энергии при разрыве волокон, вязкоупругое поведение и гашение колебаний при вибрациях, остановка роста трещин стопперами и т.д.).

Направленная интеллектуализация материалов (переход к ПКМ 3-его поколения) обеспечивает стабильность свойств конструкционных и специальных ПКМ за счет модификации их специальными компонентами и на основе использования достижений микро- и нанотехнологий, переводящих ПКМ в самодиагностирующиеся и адаптирующиеся к внешним воздействиям интеллектуальные полимерные композиционные материалы (ИПКМ) [8]. За счет введения в объем изделий из ПКМ, ВПКМ (конформно) датчиков (сенсоров, элементов микросенсорики), исполнительных компонентов и механизмов (актюаторов, элементов микромеханики), элементов систем связи, обработка информации и управления (оптические волокна, микропроцессоры, элементы микроэлектроники, микрооптоэлектроники) в ИПКМ реализуются возможности самодиагностики и адаптирования. Для создания датчиков, исполнительных механизмов и систем управления в ИМ используют различные материалы (токопроводящие, электроактивные, фоторефрактивные, люминисцирующие, пьезоэлектрические, фоторезисторные, механохимические, дендримерные, жидкокристаллические и другие полимеры) и процессы.

Контролируемые процессы деструкции ВПКМ (фенольных, фенолокремнийорганических углепластиков) лежат в основе технологии получения углеродных и углеродкерамических композиционных материалов (УКМ, УУКМ, УККМ), нашедших применение в качестве абляционных теплозащитных материалов (ГЧ БРДД, сопловые блоки РДТТ), многоразовых переизлучающих теплозащитных материалов (ТЗ ВКС), материалов для горячих трактов авиадвигателей 5 и 6 поколений.



Литература

1. Михайлин Ю.А. и др., Требования к матрицам конструкционных ПКМ. Учебное пособие, УГАТУ, Уфа, 1996.

2. Михайлин Ю.А., Термоустойчивые полимеры и полимерные материалы, С.-Петербург, Изд. "Профессия", 2006.

3. Трофимов Н.Н., Канович М.З., Основы создания полимерных композитов, М.: Наука, 1999.

4. Алексашин В.М., Авиационная промышленность, 1997.

5. Мазутов Н.А. и др., НТС ВИМИ "Технология". Серия "Конструкции из КМ", 1989.

6. Армированные пластики. Под ред. Г.С. Головкина - М.: МАИ, 1997.

7. Михайлин Ю.А., ИБ "Полимерные материалы", 2004, № 8, № 9, № 10, № 12; 2005, № 1, № 2, № 3.

8. База данных © 2009-2011 НПО «ЭНЕРГИЯ»

Размещено на Allbest.ru