Термическая обработка сплавов

Размещено на http://www.allbest.ru/

1. Для изготовления метчиков выбрана сталь У10. Назначьте режим термической обработки, приведите его обоснование и укажите структуру и свойства метчиков в готовом виде

Сталь У10-углеродистая качественная эвтектоидная сталь. Относится к группе инструментальных нетеплостойких сталей высокой твердости с небольшой прокаливаемостью. Химический состав по ГОСТ 1435-90: C1,0%; Mn0,2%; Si?0,3%; Cr ?0,25%. Поскольку сталь качественная, содержание серы и фосфора в ней не превышает 0,04% на каждого и она также имеет повышенную чистоту по неметаллическим включениям.

Для снижения твердости и создания благоприятной структуры все стали до изготовления инструмента подвергают предварительной термической обработке -- отжигу. Поскольку наличие сетки вторичного цементита ухудшает качество и срок службы инструмента, заэвтектоидные стали подвергают сфероидизирующему отжигу, нагревая сталь У10 до 740-7500С. В результате такого отжига пластины ЦII делятся (на этот процесс положительно влияет наличие субграниц и скоплении дислокаций). Регулируя скорость охлаждения, можно получать глобули ЦII различного размера.

Окончательная термическая обработка -- закалка и отпуск.

Структура закаленной стали - мелкоигольчатый мартенсит или мелкоигольчатый мартенсит с мелкими карбидами.

Для закалки стали У10 ее нагревают до температуры 760-7700С, выдерживают при этой температуре для завершения фазовых превращений, а затем резко охлаждают. Средой закалки назначим воду или водный раствор солей, поскольку углеродистая сталь имеет высокую критическую скорость закалки.

В результате охлаждения со скоростью выше критической происходит превращение аустенита в неравновесную структуру - мартенсит, обладающую высокой твердостью и прочностью.

Сталь с исходной структурой зернистого перлита при нагреве приобретает аустенитную структуру при сохранении некоторого количества цементита. Продолжительность нагрева должна обеспечить прогрев изделия по сечению и завершение фазовых превращений. Но не должна быть слишком большой, чтобы не вызвать роста зерна и обезуглероживания поверхностных слоев стали. При закалке в водных растворах паровая рубашка разрушается почти мгновенно и охлаждение происходит более равномерно и в основном протекает на стадии пузырькового кипения.

Отпуск заключается в нагреве закаленной стали до температуры ниже Ас1, выдержке при заданной температуре и последующем охлаждении с определенной скоростью. Отпуск является окончательной операцией термической обработки, в результате которого сталь получает требуемые механические свойства. Кроме того, отпуск полностью или частично устраняет внутренние напряжения, возникающие при закалке.

Температуру отпуска выбирают в зависимости от твердости, необходимой для данного вида инструмента. Стали для режущего инструмента должны иметь высокую твердость в режущей кромке, значительно превышающую твердость обрабатываемого материала; высокую износостойкость, необходимую для сохранения размеров и формы режущей кромки при резании; достаточную прочность при некоторой вязкости для предупреждения поломки инструмента в процессе работы и теплостойкости, когда резание выполняется с повышенной скоростью. Для напильников, метчиков, плашек и т.п. (стали У10--У13) проводят низкотемпературный отпуск при 150-200°С, что обеспечивает инструменту максимальную твердость (HRC62-64).

Низкотемперaтурный отпуск проводят при нагреве до 250 С. При этом снижаются закалочные макронапряжения, мартенсит закалки переводится в отпущенный мартенсит, повышается прочность и немного улучшается вязкость без заметного снижения твердости. Закаленная сталь У8 после низкого отпуска сохраняет твердость в пределах HRC62, а следовательно, высокую износостойкость. Однако такое изделие (если оно не имеет вязкой сердцевины) не выдерживает значительных динамических нагрузок. Продолжительность отпуска составляет обычно 1--2,5 ч.

Основные недостатки углеродистых сталей -- их небольшая прокаливаемость, примерно до 5--10 мм, и низкая теплостойкость. При нагреве выше 200°С их твердость резко снижается. Инструменты из этих сталей могут работать лишь при небольших скоростях резания.

2. В результате термической обработки червяки должны получить твердый износоустойчивый поверхностный слой при вязкой сердцевине. Для их изготовления выбрана сталь 20ХГР, Укажите состав и группу стали по назначению. Назначьте и обоснуйте режим термической обработки, объяснив влияние легирования на превращения, происходящие при термической обработке данной стали. Опишите микроструктуру и свойства стали после термической обработки

Сталь 20ХГР - конструкционная машиностроительная цементуемая легированная сталь. Состав по ГОСТ4543-71: 0,18-0,24%C; 0,7-1,0%Mn; 0,17-0,24%Si; 0,75-1,05%Cr; до0,06%Ti; 0,001-0,005%В. Данная сталь прокаливается на максимальное рабочее сечение 40-60 мм.

Цементацией (науглероживанием) называется химико-термическая обработка, заключающаяся в диффузионном насыщении поверхностного слоя стали углеродом при нагревании в соответствующей среде -- карбюризаторе. Как правило, цементацию проводят при температурах выше точки Ас3 (930--950°С), когда устойчив аустенит, растворяющий углерод в больших количествах. Окончательные свойства цементованные изделия из стали 20ХГР приобретают в результате закалки от 880°С в масле и низкого отпуска при 200°С с охлаждением на воздухе. Механические свойства после закалки и низкого отпуска стали 20ХГР: ув=1000МПа, у0,2=800МПа, д=10% и ан = 0,9 МДж/м2.

Назначение цементации и последующей термической обработки -- придать поверхностному слою высокую твердость и износостойкость, повысить предел контактной выносливости и предел выносливости при изгибе и кручении. На цементацию детали поступают после механической обработки с припуском на шлифование (50-100 мкм).

Для обеспечения требуемой прокаливаемости слоя и сердцевины и минимальной деформации при закалке для изготовления ответственных деталей, используют закаливающиеся в масле легированные стали; углеродистые стали, закаливающиеся в воде, для этих деталей не применяются. Высокое содержание легирующих элементов в сталях для цементуемых деталей не рекомендуется, поскольку затрудняет применение непосредственной закалки их после цементации. Непосредственная закалка высоколегированных сталей ведет к образованию в структуре цементованного слоя большого количества остаточного аустенита, снижающего прочность изделия.

Бор повышает устойчивость переохлажденного аустенита в области перлитного превращения и поэтому увеличивает прокаливаемость стали. Повышение устойчивости аустенита связано с тем, что бор, располагается преимущественно по границам зерен, тормозит образование зародышей перлита. Однако при повышенном содержании бора образуются бориды железа, уменьшающие устойчивость аустенита. Бор повышает прокаливаемость лишь доэвтектоидных сталей, содержащих <0,5--0,6%С, но не улучшает прокаливаемости цементованного слоя. Легирование бором повышает прочностные свойства после закалки и низкого отпуска, не изменяя или несколько снижая вязкость и пластичность. Бор делает сталь чувствительной к перегреву, поэтому такая сталь, как правило, должна быть наследственно мелкозернистой (балл 7--10). Легирование бористой стали титаном повышает ее устойчивость против перегрева. В промышленности для деталей, работающих в условиях износа при трении, применяют сталь 20ХГР. Дополнительное легирование стали 0,8--1,1%Ni (20ХГНР) повышает ее прокаливаемость, пластичность и вязкость.

Марганец -- дешевый элемент, применяется как заменитель в стали никеля. Как и хром, марганец растворяется в феррите и цементите. Повышая устойчивость аустенита, марганец снижает критическую скорость закалки и повышает прокаливаемость доэвтектоидной стали, однако мало влияет на прокаливаемость цементованного слоя и определяет склонность к внутреннему окислению.

Для получения высокой твердости (HRC 58--62), контактной выносливости и предела усталости при изгибе, после химико-термической обработки цементованный слой должен обладать высокой прокаливаемостью и закаливаемостью. После закалки слой должен иметь мартенситно-аустенитную структуру без продуктов перлитного и промежуточного превращений переохлажденного аустенита. Кроме того, сталь не должна быть склонной к внутреннему окислению, формированию избыточных карбидов (карбонитридов) при насыщении. Образование в слое немартенситных продуктов превращения резко снижает предел выносливости.

Прокаливаемость сердцевины должна обеспечить высокие механические свойства, особенно повышенный предел текучести, и твердость HRC30--40. При циклических нагрузках сопротивление цементованных и нитроцементованных деталей разрушению зависит от прочности сердцевины. Повышение прочности сердцевины способствует увеличению контактной прочности. Так, при твердости выше HRC 35 допустимые контактные напряжения при базе 107 циклов составляют 1900 МПа, а при твердости HRC 25--35 не превышают 1750 МПа. Однако сближение прочностных свойств слоя и сердцевины снижает уровень остаточных сжимающих напряжений на поверхности, а увеличение объема, претерпевающего фазовые и структурные превращения при термической обработке, повышает деформацию и коробление деталей после закалки. Оба фактора приводят к снижению предела выносливости деталей. Для получения высокого сопротивления хрупкому разрушению и возможности использования непосредственной закалки после цементации стали должны быть наследственно мелкозернистые (балл 6--10).

Увеличение действительного зерна в цементованном слое после термической обработки уменьшает контактную выносливость, предел выносливости при изгибе и увеличивает деформации в результате термической обработки.

Цементуемые стали должны хорошо обрабатываться резанием, поэтому предварительная термическая обработка (обычно изотермический отжиг) должна обеспечивать оптимальную микроструктуру. При неудовлетворительной микроструктуре заготовок ухудшается качество рабочей поверхности, а возникающие в процессе резания внутренние напряжения увеличивают деформацию деталей при последующей химико-термической обработке.

3. Для элементов сопротивления выбран сплав копель МНМц43-0,5. Расшифруйте состав и укажите, к какой группе относится данный сплав по назначению. Опишите структуру и электротехнические характеристики этого сплава

Копель МНМц43-0,5- сплав, состоящий из следующих элементов: Ni(43-44%); Fe(2-3%); остальное Cu (см. табл.1). По своим достоинствам копель близок к другому медно-никелевому сплаву - константану.

Плотность сплава копель 8900 кг/м3, температура плавления сплава копель 1220-1290°C, температурный коэффициент линейного расширения сплава копель 14*10-6°C-1, удельное электрическое сопротивление сплава копель 0,5мкОм·м. Температура плавления копели 1290 °С, горячей обработке он поддается при температурном режиме в 1150°С, а отжиг сплава производят при 800-850°С.

Копель отличается высоким удельным электросопротивлением, в паре с медью, хромелем и железом дает большую э.д.с. при ничтожно малом, практически равном нулю, температурном коэффициенте. Данное свойство присуще только этому сплаву и никаким другим. Термоэлектродвижущая сила копели при температуре 100°С составляет 6,95 вольт, а при температуре 600°С термоЭДС равна 49,0 вольтам.

Марганец уменьшает э.д.с копеля, т.е. делает его более электроположительным.

Широко применяется в пирометрии в качестве компенсационного провода, отрицательного электрода термопар и в радио технических приборах

Главной областью применения является пирометрия, ввиду чего основным видом проката является копель проволока, хотя производят копель и в виде ленты и круга.

Для точных измерений при относительно небольших рабочих температурах применяют термопары с высокой термоэдЭДС, чаще всего термопары, где положительные термоэлектроды - это железо, медь и хромель, а отрицательные - константан, алюмель и копель. По величине термоэлектродвижущей силы на первом месте стоит термопара хромель-копель (ТХК), применяемая при температурных условиях не выше 800°С, на втором месте медь-копель, далее по убыванию - железо-копель (до 760°С). Продолжительная устойчивость термопар с термоэлектрическими характеристиками и использование копелевого электрода позволяют сохранять способности сплава при температуре до 600?С; при этих условиях копель достаточно жаростоек и коррозионностоек. Проволока копель поставляется комплектно с хромелем или железом, образующим вместе стандартную термопару.

Также копель используется для изготовления компенсационных проводов. Для этих целей копель проволока изготавливается различных диаметров, но со строгими техническими требованиями, которые указаны в ГОСТе3044-84. Стоимость проволоки зависит от диаметра изделия, причем, чем меньше диаметр, тем выше цена.

Таблица 1 - Химический состав и некоторые физические свойства копели

4. Для деталей арматуры выбрана бронза БрОФ10-1. Укажите состав и опишите структуру сплава. Объясните назначение легирующих элементов и приведите механические свойства сплава

Бронза БрОФ10-1 содержит 10%Sn, 1%Р, остальное Сu. Эта марка бронзы относится к оловянным литейным нестандартным бронзам. Бронза БрОФ10-1 применяется в основном для подшипников шестерен и втулок ответственного назначения. Ее механические свойства в отожженном состоянии ув=380-480МПа, д=55%.

На рис. 1 приведена диаграмма состояния Сu--Sn. Фаза б представляет твердый раствор олова в меди с г.ц.к. решеткой. В сплавах этой системы образуются электронные соединения типа: в-фаза (Cu5Sn электронной концентрацией 3/2); д-фаза (Cu31Sn8 с электронной концентрацией 21/13); е-фаза (Cu3Sn с электронной концентрацией 7/4), а также г-фаза -- твердый раствор на базе химического соединения, природа которого не установлена. Система Сu-Sn имеет ряд перитектических превращений и два превращения эвтектоидного типа.

Рисунок 1 - Диаграмма состояния сплавов системы Cu-Sn (а) и влияние олова на механические свойства меди (б)

При 3500С д-аза распадается на б-твердый раствор и е-фазу. Однако это превращение протекает только при очень медленном охлаждении. В реальных условиях охлаждения бронза состоит из фаз б и Cu31Sn8. В практике применяют только сплавы с содержанием до 10--12 % Sn. Сплавы, более богатые оловом, очень хрупки. Оловянные бронзы имеют большой интервал температур кристаллизации (рис. 1, а) и поэтому склонны к ликвации и образованию рассеянной пористости; при ускоренном охлаждении у них резко выраженно дендритное строение (рис. 2, а).

а) б)

Рисунок 2 - Микроструктура бронзы (6%Sn), *250: а-после литья; б-после отжига

Оловянные бронзы обычно легируют Zn, Fe, P, Pb, Ni и другими элементами. Добавки фосфора к оловянным бронзам значительно улучшают их твердость, прочность, износостойкость, упругие, антифрикционные и литейные характеристики. Для механических свойств оптимальное содержат фосфора ~0,5%. При содержании фосфора выше 0,5% бронзы охрупчиваются, особенно при горячей прокатке. Однако в литейных антифрикцнонных бронзах может содержаться до 1,2%.

Цинк улучшает технологические свойства бронзы и удешевляет бронзу.

Оловянные бронзы слабо чувствительны к перегреву и газам, свариваются и паяются, не дают искры при ударах, не магнитны, морозостойки и обладают хорошими антифрикционными свойствами. Структура деформированных оловянных бронз б-твердый раствор (рис. 2, б).

Для облегчения обработки давлением бронзы подвергают гомогенизации при 700--750°С с последующим быстрым охлаждением. Гомогенизация уменьшает дендритную ликвацию в бронзах, и приближает их структуру к состоянию, близкому к равновесному. Для снятия внутренних напряжений в отливках их отжигают при 550°С 1 ч.

5. Жаропрочные керамические материалы. Состав, свойства и условия применения в машиностроении

Керамикой называют изделия из камнеподобных материалов, получаемых путем обжига керамической массы, в состав которой, в зависимости от назначения, входят различные глины, шамот (обожженная глина), полевой шпат, кварцевый песок и другие минералы.

Керамические изделия высокой огнеупорности, выдерживающие длительный нагрев свыше 1750°С, а также специального электро- и радиотехнического назначения изготавливают из чистых оксидов алюминия, кальция, хрома, бериллия, титана, циркония.

К керамике относятся фарфор, получаемый из особых сортов глин, полуфарфор и фаянсы.

Керамику классифицируют по назначению - строительная, огнеупорная, тугоплавкая, фильтрующая, химически стойкая, вакуумная, электротехническая, радиотехническая и др., а также по химическому или минералогическому составу и по другим признакам. Химический и минералогический состав оказывают решающее влияние на свойства керамики и изделий из них.

Среди жаропрочной оусидной керамики наибольшее распространение получили:

1. Алюмосиликатная керамика на основе SiO2-А12О3 или каждого из этих оксидов в отдельности. Кремнеземистая керамика содержит более 80% SiO2 и подразделяется на кварцевую и динасовую керамику. Первую изготовляют из кварцевого стекла или жильного кварца, вторую - спеканием кварцита в присутствии Fe2O3 и Са(ОН)2. Кварцевая керамика обладает высокой термической и радиационной стойкостью, радиопрозрачностью, высокой кислотостойкостью и огнеупорностью. По мере увеличения содержания Аl2О3 в керамических материалах увеличивается содержание муллита 3Al2O3,2SiO2, что способствует повышению прочности и термостойкости керамика, снижению ее кислотности. К керамике, содержащей около 28% Аl2О3, относят «полукислые» материалы (огнеупоры, фарфор, фаянс, гончарные изделия), а также каолиновую вату, теплоизоляционные материалы на ее основе, шамотные огнеупоры и др. Корундовая керамика, содержащая >90% Аl2О3, характеризуется высоким электрическим сопротивлением при температурах до 1500°С, высокими пределами прочности при сжатии (3-4 ГПа) и изгибе (~ 1 ГПа).

Из алюмосиликатной керамики изготовляют посуду, детали и футеровку коксовых и мартеновских печей, ракет, космических аппаратов и ядерных реакторов, носители для катализаторов, корпуса галогенных ламп, костные имплантаты, детали радиоаппаратуры и многое другое.

2. Керамика на основе MgO. Получают из магнезита, доломита, известняк,, хромомагнезита, синтетического MgO; в качестве добавок используют СаО, Сr2О3, Аl2О3, Магнезиальную керамика, содержащую 80%MgO, применяют для изготовления огнеупоров. Керамика из чистого MgO используют для производства изоляторов МГД генераторов, иллюминаторов летательных аппаратов, в качестве носителей для катализаторов, Магнезиально-известковую (содержит более 50% MgO, 10% СаО), магнезитохромовую (60% MgO, 5-18% Сг2О3), хромомагнезитовую (40-60% MgO, 15-30% Сг2О3) и хромитовую (40% MgO, 25% Сr2О3) керамику применяют для изготовления огнеупоров. Керамику из хромитов La и Y используют в качестве высокотемпературных электронагревателей (выдерживают нагрев до 1750 °С), работающих в окислительной среде.

3. Керамика на основе оксидов BeO, ZrO2, HfO2, Y2O3, UO2, Химически стойка и термостойка. Так, керамика из ВеО (броммеллитовая керамика), полученная спеканием ВеО с добавками др. оксидов (около 0,5%), например Аl2О3, ZrO2, обладает наибольшей теплопроводностью среди керамических материалов и способна рассеивать нейтроны. Используют ее при изготовлении электровакуумных приборов, тиглей для плавки тугоплавких металлов, например Pt, Be, Ti. В керамике из ZrO2 обычно вводят стабилизаторы (Y2O3, СаО, MgO), образующие с ним твердые растворы; применяют для изготовления высокотемпературных нагревателей, защитных обмазок, для изоляции индукторов высокочастотных печей и как конструкционную керамику. К карбидной керамике относят карборундовую керамику, а также материалы на основе карбидов Ti, Nb, W. Все виды такой керамики обладают высокой электро- и теплопроводностью, огнеупорностью, устойчивостью в бескислородной среде (керамика на основе SiC, которая устойчива до 1500 °С в окислительных средах). Карборундовую керамику изготовляют из порошка SiC или обжигом С в Si. Она имеет высокий предел прочности при сжатии. Карбидную керамику используют в качестве конструкционных материалов, огнеупоров, для изготовления высокотемпературных нагревателей электрических печей и инструментов в металлообрабатывающей промышленности (керамика на основе карбидов W, Ti, Nb).

При изготовлении теплоизоляционной керамики с высокой пористостью используют выгорающие добавки, на месте которых образуются поры, или керамические волокна из алюмосиликатов, из которых по технологии асбестовых изделий и бумаги изготовляют пористые войлоки, шнуры, вату, ленты и т.п.

Литература

сталь копель бронза обработка

1. Лахтин Ю. М., Леонтьева В. П. Материаловедение: Учебник для высших технических учебных заведений. 3-е изд., перераб. и доп. - М.: Машиностроение, 1990. - 528 с., ил.

2. Геллер Ю.А., Рахштадт А.Г. Материаловедение: Учебное пособие для высших технических учебных заведений. 4-е изд., перераб. и доп. - М.: Металлургия, 1975. - 447 с., ил.

3. Конструкционные материалы: Справочник/Б.Н. Арзамасов, В.А. Брострем, Н.А. Буше и др.; Под общ. ред. Б.Н. Арзамасова. -- М: Машиностроение, 1990, --688 с; ил. --(Основы проектирования машин).

4. Шишков М.М. Марочник сталей и сплавов: Справочник. Изд. 3-е дополненное. -- Донецк: Юго-Восток, 2002. --456 с.

Размещено на Allbest.ru