Особенности термообработки стали, чугуна и жаропрочных керамических сплавов

Размещено на http: //www. allbest. ru/

Оглавление

• 1. В чем заключается отрицательное влияние цементитной сетки на свойства стали У12? Какой термической обработкой ее можно уничтожить?
• 2. После термической обработки тяги из стали 30ХМ должны иметь повышенную прочность (250 - 280 НВ). Назначьте режим термообработки, объясните влияние легирования на превращения. Опишите структуру и свойства стали после термообработки
• 3. Выберите марку чугуна для кронштейнов и ступиц колес автомобилей. Ее состав, структура, обработка, механические свойства
• 4. Для дисков роторов и турбин используется сталь 15Х12ВНМФ. Состав, режим термической обработки, структура, механические свойства
• 5. Жаропрочные керамические сплавы. Состав, свойства, условия применения в энергомашиностроении
• Список литературы

1. В чем заключается отрицательное влияние цементитной сетки на свойства стали У12? Какой термической обработкой ее можно уничтожить?

термообработка керамический жаропрочный чугун

В заэвтектоидных сталях присутствующий в структуре, наряду с перлитом, вторичный цементит может образовывать сетку в виде грубых выделений по границам исходных аустенитных зерен. При этом толщина цементитных прожилок, образующих сетку, в общем, увеличивается с повышением содержания углерода и уменьшением скорости охлаждения.

Цементитная сетка определяет межкристаллитный излом и приводит к охрупчиванию стали, особенно в закаленном и отпущенном на высокую прочность состоянии. В случае заэвтектоидных сталей перед закалкой и для проведения обработки резанием или давлением проводится неполный отжиг, приводящий к разрушению сетки и сфероидизации цементита. Нормализация перед неполным отжигом ведет к получению равномерной сорбитной структуры, благодаря чему облегчается сфероидизация цементита. Нагрев выше линии ES диаграммы железо - углерод и ускоренное охлаждение также облегчают устранение цементитной сетки и сфероидизацию цементита при неполном отжиге; однако часто не удается достигнуть полного растворения сетки.

2. После термической обработки тяги из стали 30ХМ должны иметь повышенную прочность (250 - 280 НВ). Назначьте режим термообработки, объясните влияние легирования на превращения. Опишите структуру и свойства стали после термообработки

Сталь 30ХМ - хромомолибденовая жаропрочная релаксационностойкая.

Химический состав в %:

Стали этой группы закаливаются от 820-880°С в масле (крупные детали охлаждают в воде) и проходят отпуск при 550-880°С. После такой обработки структура стали - сорбит. Стали должны иметь высокий предел текучести, малую чувствительность к концентраторам напряжений, в изделиях, работающих при многократно прилагаемых нагрузках, высокий предел выносливости и достаточный запас вязкости. Кроме того, улучшаемые стали должны обладать хорошей прокаливаемостью и малой чувствительностью к отпускной хрупкости.

При полной прокаливаемости сталь имеет лучшие механические свойства, особенно сопротивление хрупкому разрушению - низкий порог хладноломкости, высокое значение работы развития трещины и вязкости разрушения.

Наличие в структуре нижнего бейнита не снижает конструктивной прочности стали. Если в структуре, наряду с мартенситом, присутствуют верхний бейнит или продукты диффузионного распада аустенита (перлит, троостит), сопротивление хрупкому и вязкому разрушению снижается и повышается порог хладноломкости. Высокий отпуск, вызывающий сфероидизацию и коагуляцию карбидов цементитного типа, сохраняя достаточно высокое значение у0,2, понижает порог хладноломкости, повышает трещиностойкость и работу распространения трещины.

Назначим для стали 30ХМ следующую термообработку: закалка от температуры 8600С в масле; высокий отпуск от 500°С в масле. После закалки сталь имеет структуру - мартенсит, а после отпуска - сорбит отпуска. Термообработка задаст стали следующие свойства: ув = 950 МПа, у0,2 = 750 МПа, д5 = 12%, ш = 45%.

Хром - сравнительно дешевый элемент и широко используется для легирования стали. В конструкционных сталях он частично растворен в феррите, частично в цементите, или образует специальные карбиды. В хромистых сталях в большей степени развивается промежуточное превращение; при закалке с охлаждением в масле сердцевина изделия имеет бейнитное строение. Вследствие этого хромистые стали, по сравнению с углеродистыми, обладают более высокими прочностными свойствами при несколько меньшей пластичности в сердцевине.

Прокаливаемость хромистых сталей невелика. Хромистые стали склонны к отпускной хрупкости, поэтому после высокого отпуска охлаждение должно быть быстрым; для мелких деталей - в масле и для крупных - в воде.

Молибден, содержащийся в стали, повышает ее теплостойкость и устраняет отпускную хрупкость.

3. Выберите марку чугуна для кронштейнов и ступиц колес автомобилей. Ее состав, структура, обработка, механические свойства

Ковкий чугун используют для изготовления мелких и средних тонкостенных отливок ответственного назначения, работающих в условиях динамических знакопеременных нагрузок (детали приводных механизмов, коробок передач, тормозных колодок, шестерен, ступиц и т. п.). Однако ковкий чугун - достаточно дорогой материал из-за сложной технологии получения и длительности производственного цикла изготовления деталей из него.

Выберем марку КЧ55-7. Чугун перлитного класса, способ выплавки вагранка - электропечь. Применение: для изготовления деталей машин, требующих высокой прочности и пластичности.

Химический состав в % материала:

Механические свойства при Т=20oС материала КЧ55-4:

Чтобы повысить прочность и износоустойчивость, ковкие чугуны подвергают нормализации или закалке с отпуском. Нормализация ковкого чугуна производится при 850-900° С с выдержкой при этой температуре 1-1,5 часа и охлаждением на воздухе. Если заготовки имеют повышенную твердость, их следует подвергать высокому отпуску при 650-680° С с выдержкой 1-2 часа.

Иногда ковкий чугун подвергают закалке, чтобы получить более высокую прочность и износоустойчивость за счет снижения пластичности. Температура нагрева под закалку, та же, что и при нормализации; охлаждение в воде или масле, а отпуск - в зависимости от требуемой твердости, обычно при температуре 650-680° С. Быстрое охлаждение может производиться непосредственно после первой стадии графитизации при достижении температуры 850-880° С с последующим высоким отпуском. Для ковкого чугуна применяют закалку токами высокой частоты или кислородо-ацетиленовым пламенем; при этом может быть достигнута высокая твердость поверхностного слоя при достаточной пластичности основной массы. Метод такой закалки из ферритного ковкого чугуна заключается в нагреве деталей токами высокой частоты до 1000-1100° С с выдержкой 1-2 минуты и последующим быстрым охлаждением. Структура закаленного слоя состоит из мартенсита и углерода отжига HRC56-60.

Ковкий чугун по сравнению со сталью более дешевый материал; он обладает хорошими механическими свойствами и высокой коррозионной стойкостью. Поэтому детали из ковкого чугуна широко применяются в сельскохозяйственном машиностроении, автотракторной промышленности, станкостроении (для изготовления зубчатых колес, звеньев цепей, задних мостов, кронштейнов, тормозных колодок и пр.).

4. Для дисков роторов и турбин используется сталь 15Х12ВНМФ. Состав, режим термической обработки, структура, механические свойства

15Х12ВНМФ - Сталь жаропрочная высоколегированная. Применение: лопатки, поковки, крепежные детали турбин для длительного срока службы при температурах до 580 °С; температура окалинообразования 750 °С; сталь мартенситно-ферритного класса.

Химический состав в %:

Механические свойства при Т=20oС:

Мартенситно-ферритные стали содержат 10-25 % феррита. Температура окалинообразования 750°С. W, V, Mo в составе стали повышают температуру рекристаллизации и образуют карбиды, улучшая жаропрочность. Для получения оптимальной жаропрочности высокохромистые стали закаливают на мартенсит и отпускают на сорбит при 650-700оС. Температура закалки - 1000-1020оС, охлаждение в масле. Высокие температуры закалки необходимы для растворения карбидов в аустените. Более высокие температуры закалки приводят к образованию в структуре большого количества феррита, снижающего прочность.

5. Жаропрочные керамические сплавы. Состав, свойства, условия применения в энергомашиностроении

Металлокерамические твердые сплавы представляют инструментальные материалы, состоящие из карбидов тугоплавких металлов и цементирующего металла - кобальта, играющего роль связки.

Твердые сплавы обладают наиболее высокой твердостью и сохраняют ее при нагреве до высоких температур. Их изготавливают методом порошковой металлургии. Применяют карбиды вольфрама, титана и тантала, а за рубежом - также карбиды ниобия и ванадия. Сплавы получают спеканием порошков карбидов с порошком кобальта, являющегося связующим компонентом, при 1400-1550 С после предварительного прессования. Твердые сплавы изготавливают в виде пластин, которые медным припоем припаивают к державке из обычной углеродистой стали. Твердые сплавы применяют для резцов, сверл, фрез и другого инструмента.

Инструмент из металлокерамических твердых сплавов характеризуется высокой твердостью (НRА 80-97), износостойкостью в сочетании с высокой теплостойкостью (до 800-1000 С). Их недостатком является высокая хрупкость. Скорость резания твердыми сплавами в 5-10 раз выше, чем при применении быстрорежущих сталей.

В зависимости от состава карбидной основы различают три группы твердых сплавов: вольфрамовые, титан-вольфрамовые и титан-тантал-вольфрамовые.

Вольфрамовые твердые сплавы изготавливаются на основе карбида вольфрама и кобальта. Сплавы этой группы называют однокарбидными и обозначают буквами ВК и цифрой, показывающей содержание кобальта в процентах. Например, сплав ВКЗ содержит 3% кобальта и 97% карбида вольфрама. Содержание кобальта может меняться (сплавы ВК6, ВК8). Чем больше содержание кобальта, тем выше прочность, хотя и несколько ниже твердость сплава. Твердые сплавы вольфрамовой группы имеют наибольшую прочность, но более низкую твердость, чем сплавы других групп. Они теплостойки до 800 С. Их обычно применяют для обработки чугуна, сплавов цветных металлов и различных неметаллических материалов, дающих прерывистую стружку.

Сплавы второй группы (двухкарбидные) изготовляют на основе карбидов WС и ТiС на кобальтовой связке. Их маркируют буквами Т, К и цифрами. Цифры после буквы Т указывают содержание карбидов титана в процентах, а цифры после буквы К - содержание кобальта. Например, в сплаве Т15К6 содержится 15 % Т1С, 6% Со, остальное, (т.е. 79 %) WС. Карбид вольфрама растворяется в карбиде титана при температуре спекания, образуя твердый раствор (Тi, W) С, имеющий более высокую твердость, чем WС. Сплавы этой группы имеют более высокую до 900-1000 С теплостойкость, повышающуюся с увеличением содержания карбидов титана. Их в основном применяют для высокоскоростной обработки сталей.

Для изготовления сплавов третьей группы используют карбиды вольфрама, титана, тантала и порошок кобальта в качестве связки. Эти сплавы маркируют буквами ТТК и цифрами. Цифра, стоящая после букв ТТ, указывает суммарное содержание карбидов титана ТiС и тантала ТаС, а цифра, стоящая после буквы К - содержание кобальта. Например, сплав ТТ7К12 содержит 4% ТiC, 3 % ТаС, 12 % Со и 81 % WС. Сплавы этого типа имеют более высокую прочность, чем сплавы второй группы и лучшую сопротивляемость ударным воздействиям вибрации и выкрашиванию. Их применяют для более тяжелых условий резания (черновое точение стальных слитков, поковок, литья).

Общим недостатком рассмотренных сплавов, помимо высокой хрупкости, является повышенная дефицитность исходного вольфрамового сырья, являющегося основным компонентом, определяющим их повышенные физико-механические характеристики. Поэтому перспективным направлением является использование безвольфрамовых твердых сплавов. Хорошо себя зарекомендовали сплавы, в качестве основы для которых используется карбид титана, а в качестве связки - никель и молибден. Они маркируются КТС и ТН. Твердые сплавы КТС-1 и КТС-2 содержат 15-17 % никеля и 7-9 % молибдена соответственно, остальное - карбид титана. В твердых сплавах типа ТН-20, ТН-25, ТН-30 в качестве связующего металла применяют в основном никель, содержание которого 16-30 %. Концентрация молибдена составляет 5-9%, остальное - также карбид титана. Твердость подобных твердых сплавов составляет НRА 87-94, сплавы имеют высокую износо- и коррозионную стойкость. Их используют для изготовления режущего инструмента и быстроизнашивающихся деталей технологического оборудования.

Особо твердые инструментальные материалы созданы на основе нитрида бора и нитрида кремния. В них нет пластичной металлической связки. Изделия из этих материалов изготавливают либо с помощью взрыва, либо в условиях сверхвысоких статических давлений и высоких температур. Изделия из нитридов бора и кремния используют в качестве материала инденторов (наконечников) для измерения твердости тугоплавких материалов в интервале температур 700-1800 С, как абразивный материал и в качестве сырья для изготовления сверхтвердых материалов, применяемых для оснащения режущей части инструментов для обработки закаленных сталей, твердых сплавов, стеклопластиков, цветных металлов. Они обладают высокой твердостью (НКА 94-96), прочностью, износостойкостью, теплопроводностью, высокой стабильностью физических свойств и структуры при повышении температуры до 1000 С. Их преимуществом является доступность и дешевизна исходного продукта, благодаря чему они используются для замены вольфрамсодержащих твердых сплавов.

Для изготовления доводочных паст, шлифовальных кругов применяют абразивные материалы. Они представляют собой порошки, либо скрепленные связкой, либо нанесенные на гибкую основу - ткань или бумагу. Различают природные и искусственные абразивные материалы. К природным относятся алмазы, гранаты, корунд; к искусственным - искусственные алмазы, гексагональный нитрид бора (эльбор), карборунд.

Список литературы

1. Богодухов С.И. Материаловедение и технологические процессы в машиностроении: учеб. пособие для студ. вузов / С.И. Богодухов, А.Д. Проскурин, Р.М. Сулейманов и др.; под общ. ред. С.И. Богодухова. - Старый Оскол: ТНТ (Тонкие наукоемкие технологии), 2016. - 488 с.

2. Евстратова, И.И. Материаловедение / И.И. Евстратова и др. - Ростов-на-Дону: Феникс, 2016. - 378 с.

3. Заплатин В.Н. Справочное пособие по материаловедению (металлообработка): Учеб. пособие для НПО. - М.: Академия, 2017. - 444 с.

4. Материаловедение: Учебник для ВУЗов / Под ред. Арзамасова Б.Н. - М.: МГТУ им. Баумана, 2018. - 582 с.

5. Тарасов В.Л. Технология конструкционных материалов. - М.: Изд-во Моск. гос. ун-т леса, 2016. - 499 с.

Размещено на Allbest.ru