71761

МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ (Часть 3)

Лабораторная работа

Производство и промышленные технологии

Изложены основные теоретические положения и методические указания к выполнению следующих лабораторных работ по курсу Материаловедение: Химико-термическая обработка стали Цветные металлы и сплавы Выбор стали и назначение режима термической обработки.

Русский

2014-11-11

1.47 MB

60 чел.

32

ГОСУДАРСТВЕННОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ

ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ

«БЕЛОРУССКО-РОССИЙСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ»

Кафедра «Технологии металлов»

МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ

Лабораторный практикум

Часть 3

Методические указания к выполнению лабораторных работ для студентов дневной и заочной форм обучения

Могилев 2007


УДК 620.22

ББК

       М

Рекомендовано к опубликованию

учебно-методическим управлением

ГУ ВПО «Белорусско-Российский университет»

Одобрено кафедрой «Технология металлов» «31» августа 2007г.,

           протокол № 1

Составители: д-р техн. наук, проф. Ф. Г. Ловшенко

канд. техн. наук, доц. Г. Ф. Ловшенко

ст. преподаватель А. И. Хабибуллин

Рецензент канд.техн.наук, доцент Н. С. Гарлачов Н.С.

 Изложены основные теоретические положения и методические указания к выполнению следующих лабораторных работ по курсу «Материаловедение»: «Химико-термическая обработка стали», «Цветные металлы и сплавы», «Выбор  стали  и   назначение   режима   термической обработки».

 

Учебное издание

МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ

Часть  3

Ответственный за выпуск                           Г. Ф. Ловшенко

Технический редактор                               А. Т. Червинская

Компьютерная верстка                             Н. П. Полевничая

Подписано в печать       Формат 60х84 1/16. Бумага офсетная. Гарнитура Таймс.

Печать трафаретная .Усл. печ. л.   Уч. -изд. л.  Тираж 215 экз.  Заказ №

Издатель и полиграфическое исполнение:

Государственное учреждение высшего профессионального образования  

«Белорусско-Российский университет»

212005, г. Могилев, пр. Мира, 43

ЛИ № 02330 / 375 от 29.06.2004 г.

© ГУ ВПО «Белорусско-Российский

университет», 2007

Содержание

стр.

15 Лабораторная работа № 15. Химико-термическая обработка стали

4

16 Лабораторная работа № 16. Цветные металлы и сплавы

15

17 Лабораторная работа № 17. Выбор  стали  и   назначение   режима   термической обработки

25


Список литературы

35


Часть 3

15 Лабораторная работа № 15.  Химико-термическая обработка стали

Цель работы: ознакомление с основными положениями теории химико-термической обработки; изучение технологических процессов важнейших видов химико-термической обработки и структуры слоев стали после ХТО.

Химико-термической обработкой (ХТО) называют технологические процессы,  приводящие к диффузионному насыщению  поверхностного слоя деталей различными элементами.  ХТО применяют для повышения твердости,  износостойкости, сопротивления усталости и контактной выносливости, а также для защиты от электрохимической и газовой коррозии. При  ХТО деталь помещают в среду,  богатую насыщающим  элементом. При ХТО происходят три элементарных процесса: диссоциация, абсорбция  и диффузия. Диссоциация   протекает в газовой среде и состоит в распаде  молекул и образовании активных  атомов диффундирующего элемента. Степень распада молекул газа называется степенью диссоциации. Абсорбция  происходит на границе «газ-металл» и заключается в поглощении поверхностью металла насыщающего элемента. Под диффузией  понимают проникновение  элемента вглубь насыщаемого металла. В результате ХТО образуется диффузионный слой.

Наибольшая   концентрация насыщаемого элемента  наблюдается на поверхности изделия, по мере  удаления от  поверхности  она снижается. Фазовые и структурные изменения, происходящие при ХТО  в диффузионном слое, и его строение определяются изотермическим разрезом диаграммы состояния  «обрабатываемый металл – насыщающий элемен» при температуре диффузионного  насыщения.

Предположим,  что системе «обрабатываемый металл А – насыщающий элемент В» соответствует диаграмма состояния,   представленная на рисунке 15.1 , а насыщение происходит при температуре  t1. Если процессы диссоциации, абсорбции  и диффузии протекают активно и времени насыщения достаточно, то на поверхности образуется  слой твердого раствора А и В переменной концентрации. Под  ним будет находиться слой твердого раствора А и В в  химическом  соединении  АnВm переменной концентрации и далее твердый раствор В и А, убывающий от предела насыщения до нуля. На границах раздела слоев концентрация изменяется  скачкообразно в соответствии с диаграммой состояния системы. Распределение насыщающего элемента по толщине диффузионного слоя и его строение приведены на рисунке 15.2.

Рисунок 15.1 – Диаграмма состояния сплавов с ограниченной растворимостью и химическим соединением

В(А)

AnBm

A(B)

A

                                                                Образуемые фазы

 l, мм

Рисунок 15.2 – Изменение концентрации диффундирующего элемента по толщине слоя

Двухфазные области в диффузионном слое  в процессе ХТО не образуются. Однако эти области возникают при медленном охлаждении от температуры диффузионного насыщения в сплавах, испытывающих вторичную кристаллизацию.

Наиболее распространенными видами химико-термической обработки являются цементация, азотирование, цианирование (нитроцементация), борирование, хромирование.

Цементация стали. Технологический процесс диффузионного насыщения углеродом называется цементацией. Цель цементации – получить детали машин и механизмов с твердой и износоустойчивой поверхностью при сохранении вязкой, хорошо выдерживающей динамические нагрузки сердцевины.  Цементированные изделия предназначены для работы при знакопеременных нагрузках и в условиях трения и износа. Цементации подвергают зубчатые колеса, валы, оси, распределительные валики, кулачки, червяки, изготовленные, как правило, из малоуглеродистой стали с содержанием углерода не более

0,3 %. Цементация проводится путем нагрева и длительной выдержки деталей в науглероживающей среде при  температуре аустенитного состояния стали. Температура цементации находится в пределах 900-950 оС. Цементацию наиболее часто осуществляют в газовой среде или в твердом карбюризаторе. При газовой цементации образование атомарного углерода происходит в результате диссоциации предельных углеводородов

СnH2n+2  nC + (n+1)H2.

При цементации в твердом  карбюризаторе атомарный углерод образуется в результате диссоциации окиси углерода

2CO  CO2 + C.

Углекислые соли BaCO3, Na2CO3, K2CO3, добавляемые к древесному углю в количестве 10-30 %, являются  активизаторами, ускоряющими процесс образования окиси углерода

BaCO3  BaO + CO2,

CO2 + C  2CO.

Атомарный углерод диффундирует в сталь, растворяясь в аустените до предельного его насыщения, далее диффузия может привести к образованию тонкой корочки карбидов, которая, как правило, металлографически не обнаруживается. Содержание углерода в поверхностной зоне определяется пределом его растворимости в аустените при температуре цементации  (линия  SE диаграммы «железо-цементит»). Обычно цементацию проводят таким образом, чтобы содержание углерода в поверхностной зоне диффундирующего слоя не превышало 1,2 %. По мере удаления от поверхности в глубину изделия содержание углерода постепенно снижается, доходя до исходного состояния в цементируемой стали. При охлаждении от температуры цементации до нормальной произойдет превращение в соответствии с содержанием углерода в слое согласно диаграмме «железо-цементит».

После медленного охлаждения от температуры цементации поверхностная зона диффузионного слоя, в которой содержание углерода больше эвтектоидного, имеет структуру заэвтектоидной стали и состоит из перлита и карбидов (цементита). Это, так называемая заэвтектоидная зона. Далее следует эвтектоидная зона, представляющая собой перлит. Содержание углерода в эвтектоидной зоне углеродистых  сталей около 0,8 %. Под эвтектоидной находится доэвтектоидная зона со структурой перлита и феррита. Микроструктура поверхностной области стали после цементации приведена на рисунке 15.3.

Рисунок 15.3 – Микроструктура поверхностной области стали, подвергнутой цементации

После цементации  изделия подвергаются  закалке с последующим низким отпуском. В результате термической обработки высокоуглеродистая поверхностная зона приобретает структуру отпущенного мартенсита часто с включением карбидов (цементита). Твердость ее достигает значения HRC 62.

После термической обработки твердость сердцевины определяется химическим составом стали и находится в пределах HRC 15-35. В зависимости от упрочнения сердцевины цементируемые стали делятся на три группы:  углеродистые стали с неупрочняемой сердцевиной, низколегированные стали со слабо упрочняемой сердцевиной, высоколегированные стали с упрочняемой сердцевиной. К первой группе относятся стали 10, 15, 20. В этом случае даже после закалки в воде сердцевина имеет феррито-перлитную структуру. При  закалке в масле сердцевина низколегированных сталей второй группы к которым относятся 15Х, 20Х,15ХР,20ХН, претерпевает бейнитное превращение и заметно упрочняется. В сердцевине высоколегированных цементируемых сталях 20ХГР, 20ХНР, 18ХГТ, 30ХГТ, 12ХНЗ, 12Х2Н4, 18Х2Н4В после охлаждения в масле и далее на воздухе образуется структура нижнего бейнита или мартенсита, что приводит  к весьма интенсивному упрочнению.

Азотированием называется процесс поверхностного насыщения стали азотом. Оно применяется в целях повышения твердости, износостойкости и предела усталости, а также коррозионной стойкости деталей машин. Процесс азотирования проводится при 480-650 оС в течение 30-90 часов в среде газообразного аммиака, диссоциирующего по реакции

2NH3  2N + 3H2.

Образовавшийся атомарный азот адсорбируется поверхностью и диффундирует в металл.

Изменения микроструктуры поверхностной зоны (рисунок 15.4, б), происходящие при азотировании, можно представить на основании диаграммы «железо-азот» (рисунок 15.4, а). В этой системе возможно образование следующих фаз:   – азотистый феррит; – азотистый аустенит;  – нитрид Fe4N; – нитрид Fe3N. Со многими легирующими элементами азот также образует химические соединения – нитриды (CrN, Cr2N, MnN, TiN, MoN, AlN, и др.)

При температуре азотирования железа ниже эвтектоидной (591о С) азотированный слой состоит из трех последовательно расположенных друг за другом фаз: ,  и . При температуре насыщения выше эвтектоидной (600-650о С) возможно образование четырех фаз: , , и . В процессе  медленного охлаждения с этих температур  -фаза при 591о С испытывает эвтектоидное превращение на    и  , а при быстром охлаждении претерпевает мартенситное превращение.

 

Рисунок 15.4 – Диаграмма системы Fe-N (а) и микроструктура поверхностной области стали, подвергнутой азотированию (б)

В отличие от железа наличие углерода в стали приводит к образованию на поверхности диффузионного слоя карбонитридных фаз типа Fe3(C, N) или Fe3(N, C).

При азотировании легированных сталей наряду с вышеперечисленными фазами – , , , , одновременно образуются нитриды легирующих элементов. Для повышения твердости и износоустойчивости процессу азотирования подвергают специальные стали, получившие название нитраллои. Они содержат алюминий, хром, молибден, которые образуют стойкие против коагуляции и роста нитриды.  Наиболее часто азотированию подвергают стали 35ХМЮА, 38ХМЮА, 38Х2МЮА,35ХМА. Азотирование проводится при 500-520 оС. Носителем твердости является -зона. В процессе охлаждения нитраллоев от температуры азотирования до комнатной, в следствие уменьшения растворимости легирующих элементов, в -зоне происходит образование очень дисперсных спецнитридов CrN, MoN, AlN.  Эти дисперсные частицы препятствуют движению дислокаций и, тем самым, повышают твердость азотированного слоя.

Твердость обычных конструкционных сталей после азотирования сравнительно невысока. В этом случае специальные нитриды железа стойки против коагуляции только при температурах ниже 450 оС.

Для повышения усталостной прочности азотируют обычные конструкционные хромоникелевые стали.

С целью повышения коррозионной стойкости азотированию могут подвергаться любые стали. Процесс проводится при 600-700 оС в течение 0,5-1,0 часа. Коррозионная стойкость повышается в результате образования на поверхности изделия сплошной зоны из  -фазы.

Азотирование является окончательной обработкой. Термическая обработка – улучшение, заключающаяся в закалке и высоком отпуске, предшествует азотированию.

Азотированию подвергают такие детали, как гильзы гидроцилиндров и  коленчатые валы дизелей, валы, шпиндели, ходовые винты и трубчатые изделия в станкостроении, зубчатые колеса.

Цианированием называется процесс  одновременного насыщения поверхности деталей углеродом и азотом. Различают высокотемпературное и низкотемпературное цианирование.

Высокотемпературное цианирование проводят при 800-950 оС. Цель его повысить твердость, износостойкость и усталостную прочность деталей машин из малоуглеродистых и среднеуглеродистых  простых и легированных сталей. После высокотемпературного цианирования следует  закалка и низкий отпуск.

Низкотемпературное цианирование проводят при 540-580 оС и применяют в основном для повышения стойкости окончательно термически обработанного инструмента из быстрорежущей стали.

Процесс цианирования осуществляется в жидких и газообразных средах. Жидкое цианирование осуществляется в ваннах в смеси  расплавленных  цианистых солей типа NaCN, KCN, Ca(CN)2 с нейтральными солями типа NaCl, Na2CO3, BaCl2, BaCO3. Недостатками  процесса жидкостного цианирования являются большая ядовитость цианистых солей и высокая их стоимость.

Газовое цианирование называют нитроцементацией. Этот процесс осуществляют в смеси науглероживающих и азотирующих газов. В качестве науглероживающего может быть любой газ, применяемый при газовой цементации – природный пиролизный, смесь природного газа и газа – разбавителя. Азотирующим газом является аммиак. Соотношение газов: 5-30 % аммиака и 95-70 % науглероживающего газа.

Структура цианированного слоя определяется количеством углерода и азота, находящихся в нем. Соотношение между углеродом и азотом в слое в свою очередь зависит от температуры и  продолжительности процесса, состава насыщающей среды и цианируемой стали. На состав и свойства цианированного слоя особое влияние оказывает температура цианирования. Повышение ее увеличивает содержание углерода в слое, снижение – увеличивает содержание азота.

После цианирования на поверхности возникает тонкий карбонитридный слой  Fe3(C, N), который часто металлографически не обнаруживается. Под ним лежит слой азотистого феррита. После закалки и низкого отпуска цианированный слой представляет собой карбонитридный мартенсит с включениями карбонитридных фаз. Кроме этого в структуре может присутствовать  аустенит остаточный.

В настоящее время высокотемпературное газовое цианирование (нитроцементация) широко внедряется вместо газовой цементации. Высокотемпературное цианирование проводят при более низких температурах, чем газовую цементацию. Кроме этого цианированные изделия по твердости и износостойкости превосходят цементированные. Это объясняется наличием в диффузионном слое не только углерода, но и азота.

Борирование – это диффузионное насыщение поверхностного слоя бором. Процесс проводится с целью повышения поверхностной твердости и износостойкости, а также коррозионной стойкости. Наиболее перспективны для промышленного использования борирования в порошкообразных смесях, в расплавах солей и окислов из паст (обмазка) и газовое борирование.

Твердое борирование проводят в порошковых смесях на основе технического карбида бора (B4C) или  в металлотермических смесях, основу которых составляют оксид бора  (B2O3) и алюминий. Для активизации процесса насыщения в смесь вводят соли NaF или NH4Cl в количестве 0,5-3,0 %.

Борирование из обмазок целесообразно применять при необходимости упрочнения крупногабаритных изделий или для местного борирования отдельных участков деталей. Поставщиками бора при насыщении из обмазок являются аморфный бор, карбид бора или оксид бора. На поверхность обрабатываемого изделия обмазки наносят кистью. Наиболее часто применяются обмазки, состоящие из двух слоев – активного и защитного. Защитный слой предохраняет активный от окисления в процессе борирования в кислородосодержащей атмосфере.

Борирование  в расплавах солей и окислов делится на электролизное и безэлектролизное. Электролизное борирование проводят в расплаве буры (Na2B4O7).  Процесс  осуществляют при плотности постоянного тока 0,08-0,25 А/см2.

Обрабатываемая деталь является катодом. Безэлектролизное борирование осуществляют в расплавах боросодержащих веществ (В, В4C и др.) и нейтральных солей.

Газовое борирование проводят в среде, полученной разложением газообразных соединений бора. Наиболее часто применяется диборан2Н6) и треххлористый бор (BCl3), которые разбавляют газами, не содержащими бор (Н2, Ar, N2).

Борирование сталей проводят при температурах 800-1050o С в течение 2-10 часов. Борированный слой состоит из двух зон: зоны боридов и переходной зоны (рисунок 15.5, а). Зона боридов имеет характерное игольчатое строение и представляет собой химические соединения бора и железа. При жидкостном борировании зона имеет однофазное строение и состоит из фазы Fe2B, во всех остальных случаях состоит из двух фаз – FeB и Fe2B. Углерод резко снижает содержание борида FeB в слое, а легирующие элементы за исключением алюминия к меди – увеличивают. Легирующие элементы в сталях собственных боридов не образуют, а легируют бориды железа.

    а)                                                                  б)

                

 

Рисунок 15.5 – Микроструктура поверхностной области стали, подвергнутой борированию (а) и хромированию (б)

Под зоной боридов располагается переходная зона, отличающаяся по своей структуре от сердцевины. Она представляет собой твердый раствор бора, а также углерода и легирующих элементов в железе. Толщина переходной зоны определяется глубиной проникновения бора. Легирующие элементы уменьшают толщину переходной зоны.

Средне-, тяжелонагруженные детали после борирования подвергаются закалке и отпуску.

Борирование используют для упрочнения различных деталей машин, технологической оснастки и инструмента, работающих в условиях интенсивного износа.

Хромирование – это процесс диффузионного насыщения поверхностных деталей хромом. Хромирование железа и сталей с содержанием углерода менее 0,2 % проводят с целью повышения коррозионной стойкости в различных агрессивных средах и жаростойкости. Стали с содержанием углерода более 0,3 % подвергают хромированию прежде всего для повышения твердости и износостойкости, а также коррозионной стойкости и жаростойкости.

Хромирование осуществляют в порошковых смесях, в газовой и жидкой средах. Порошковая смесь для хромирования состоит из поставщика хрома, в качестве которого используют порошки хрома,  феррохрома, оксиды хрома и веществ, предотвращающих спекание хромосодержащих частиц и прилипание их к поверхности изделий. Кроме этого в смесь вводятся соли, активирующие процесс хромирования. В качестве активаторов применяют Nh4Cl, NH4Br, NH4J, NH4F. Активаторы при температуре диффузионного хромирования взаимодействуют с хромосодержащими веществами с образованием галлогенидов хрома, которые служат источником активных атомов хрома.

При хромировании в газовой среде также, как и при насыщении в порошковых смесях источником активных атомов хрома служат галлогениды хрома, находящиеся в газообразном состоянии.

Жидкой средой при хромировании являются расплавы солей хлоридов хрома (CrCl2 и CrCl3), а также соли-стабилизатора, в качестве которой используют одно из следующих соединений BaCl2, CaCl2, MgCl2.

Диффузионное превращение хромом проводится при температурах 900-1200 оС в течение 4-10 часов.

При хромировании  железа  и  стали с содержанием углерода менее 0,2 % образующийся диффузионный слой представляет собой твердый раствор хрома в -железе.  Содержание  хрома  на поверхности слоя достигает 70 %. Толщина слоя не превышает 0,2 мм. Диффузионный слой сталей, содержащих более 0,3 % углерода, состоит из трех зон: карбидной, промежуточной и обезуглероженной. С увеличением углерода до 0,8 % толщина карбидной и промежуточной зон возрастает. Карбидная зона представляет собой сплошной слой карбидов хрома Cr23C6 или  Cr7C3 толщиной до 0,02 мм. Промежуточная зона имеет перлитное строение и состоит из феррита и карбидов хрома Cr23C6 или  Cr7C3. Содержание углерода в обезуглероженной зоне ниже, чем в сердцевине. Микроструктура стали У8 после хромирования представлена на рисунке 15.5, б.

После хромирования средне- и тяжелонагруженные детали подвергают закалке с последующим отпуском. Хромирование применяется для повышения стойкости штампового инструмента, пресс-форм литья под давлением алюминиевых сплавов, различных деталей двигателей и газовых турбин, работающих при высоких температурах, фильтров нефтяных скважин, деталей насосов и турбобуров, крепежных деталей.

Задание по работе

1 Изучить теорию и технологию химико-термической обработки.

2 Провести микроанализ шлифов коллекции образцов, подвергнутых химико-термической обработке. Определить и записать микроструктуру диффузионных слоев и сердцевины (микроструктуры стали и технического железа, подвергнутых цементации и азотированию, объяснить в связи с диаграммами состояния «железо-цементит» и «железо-азот»).

3 Изобразить графически схемы химико-термической и термической обработки, объяснить их, указав назначение проведенных режимов обработки.

4 Указать области целесообразного применения рассмотренных видов химико-термической обработки.

5 Указать марки сталей, подвергаемых рассмотренным видам химико-термической обработки.


16
Лабораторная работа № 16. Цветные металлы и сплавы

Цель работы: изучение микроструктуры и свойств цветных металлов и сплавов и установление связи между структурой сплава и соответствующей диаграммой состояния.

В отличие от железа и его сплавов, которые называются черными, все остальные металлы и сплавы называются цветными. В настоящее время наиболее широко применяются в различных областях народного хозяйства сплавы на основе алюминия и меди.

Алюминий и его сплавы. Алюминий кристаллизуется в гранецентрированной кубической решетке. Наиболее  характерные  свойства  его – малый  удельный вес ( = 2,7), низкая температура плавления (657 оС), высокая тепло- и электропроводность, высокая пластичность.

Алюминий – один из важнейших промышленных металлов, он находит широкое применение в электротехнике, в химическом аппаратостроении, в быту и других областях. Применение его как конструкционного материала в технике ограничено низкой прочностью (В = 8-10 кг/мм2).

Алюминий значительно упрочняется путем введения различных легирующих элементов, что позволяет получить сплавы с высокими прочностными свойствами.

Применяющиеся в технике алюминиевые сплавы делятся на деформируемые и литейные.

Деформируемые сплавы. Наиболее распространенным представителем этой группы является дюралюминий (Д1, Д16), который кроме алюминия содержит около 4 % Cu, 1 % Mg, 1 % Mn и менее 0,7 % Fe и Si. Основными легирующими элементами являются медь и магний, поэтому этот материал может быть причислен к сплавам системы Al-Cu-Mg. Кремний и железо являются постоянными примесями, попадающими в сплав вследствие применения недостаточно чистого алюминия. Марганец вводится в дюралюминий главным образом для повышения коррозионной стойкости. Перечисленные компоненты образуют ряд растворимых соединений CuAl, CuMgAl2 (S-фаза), Mg2Si, вызывающих упрочнение сплава в процессе термической обработки, заключающихся в закалке от 500 оС в воде с последующим естественным  старением в течение 5-7 суток. Железистые и марганцовистые соединения в процессе закалки не растворяются. Диаграмма состояния Al-Cu представлена на рисунке 16.1.

Рисунок 16.1 – Диаграмма состояния Al-Cu

Структура дюралюминия в отторженном состоянии состоит из твердого раствора и вторичных включений различных интерметаллических соединений. В закаленном состоянии структура состоит из пересыщенного твердого раствора и нерастворимых железистых и марганцовистых соединений.

Литейные сплавы. В качестве литейных сплавов на основе алюминия широкое распространение имеют силумины  алюминиевокремистые сплавы (5-14 % Si). Диаграмма состояния системы Al-Si представлена на рисунке 16.2. Силумины обладают высокой жидкотекучестью, малой усадкой, удовлетворительной коррозионной стойкостью и применяются для получения отливок сложной формы. Типичным силумином является эвтектический сплав (11-12% Si), структура которого имеет игольчатую эвтектику (основа сплава), состоящую из твердого раствора кремния в алюминии и небольшого количества грубых игольчатых включений Si (рисунок 16.3, а).

Повышение прочности и пластичности силумина достигается модифицированием – введением в расплав перед разливкой незначительного количества натрия и его солей. При этом изменяется структура сплава: кристаллы кремния вместо игольчатых становятся округлыми.

Введение модификатора  вызывает смещение линии  начала  кристаллизации кремния  в  сторону более высокого содержания кремния и более низких температур.  Эвтектический сплав с 11-12 % Si в этом случае становится доэвтектическим (рисунок 16.3, б).

Рисунок 16.2 – Диаграмма состояния Al-Si

а)                                                                                    б)

                   

а – немодифицированный; б – модифицированный

Рисунок 16.3 – Микроструктура силумина АЛ2

При более высоких требованиях к прочностным свойствам применяют специальные силумины - доэвтектические сплавы с 4-10 % Si с добавками меди, магния, марганца. Эти сплавы способны упрочняться при термической обработке. Маркировка сплавов АЛ: буквы указывают, что это алюминиевый (А), литейный (Л) сплав; цифры – порядковый номер в ГОСТе.

Медь и ее сплавы. Медь имеет гранецентрированную кубическую решетку. Удельный вес меди 8,94 г/см3, температура плавления 1083 оС. Она обладает высокой теплопроводностью, электропроводностью, пластичностью в горячем и холодном состояниях и широко применяется в различных областях техники. Кроме того, медь является основой важнейших сплавов – латуней и бронз.

Сплавы меди с цинком (латуни). Практическое применение имеют сплавы с содержанием цинка до 45 %, которые называются латунями. Равновесная диаграмма состояния для этой системы приведена на рисунке 4. По структуре латуни делятся на две группы:

– сплавы с содержанием цинка до 39 %  являются однофазными со структурой твердого раствора цинка и меди ();

– сплавы с содержанием цинка более 39 % имеют двухфазную структуру (+); -твердый раствор на базе соединения CuZn с электронным типом связи имеет кубическую объемно-центрированную решетку (рисунок 16.5).

Рисунок 16.4 – Диаграмма состояния Cu-Zn

Рисунок 16.5 – Микроструктура литой двухфазной латуни

Цинк до определенного предела повышает прочность и пластичность сплавов. Максимальной пластичностью обладают материалы с 30 % Zn. Переход через границу однофазной области (39 % Zn) приводит к резкому снижению пластичности. Максимальной прочностью обладает -латунь при содержании цинка 45 %. Однако пластичность ее относительно низка.

Литейные свойства двухфазных латуней характеризуются хорошей жидкотекучестью, малой склонностью к ликвации, способностью к образованию концентрированной усадочной раковины. Латуни легко поддаются пластической деформации, поэтому их используют для производства листов, лент, профилей. Причем для прокатки в холодном состоянии применяют латуни с содержанием цинка до 30 % ( -латуни), а для прокатки в горячем состоянии наиболее пригодны латуни со структурой + (при температуре обработки структура состоит из одной -фазы).

Кроме простых латуней – сплавов меди и цинка, применяются специальные латуни, в которые для придания тех или иных свойств дополнительно вводят различные элементы: свинец для улучшения обрабатываемости, олово для повышения сопротивления коррозии в морской воде,   алюминий   и  никель  для  повышения  механических свойств. Марки латуней начинаются с буквы Л,  далее следуют буквы, указывающие нам наличие  определенных  легирующих элементов, цифры указывают концентрацию меди и легирующих элементов.

Бронзы. Бронзами называются сплавы меди с оловом или другими элементами (за исключением цинка). В зависимости от основного легирующего элемента бронзы разделяются на оловянистые, алюминиевые, бериллиевые, марганцовистые и т. д. Марки бронз начинаются с букв Бр. И далее следуют буквы, показывающие наличие определенных легирующих элементов, и цифры, указывающие их содержание. Бронзы применяют для получения отливок и полуфабрикатов, изготовляемых обработкой давлением.

Оловянистые бронзы. Практическое применение имеют сплавы меди с оловом, содержащие до 20 % Sn. Характер взаимодействия меди с оловом при их сплавлении определяется диаграммой состояния медь-олово (рисунок 16.6).

Необходимо отметить, что широкая область -твердых растворов, указанная на диаграмме сплошной линией, характерна только лишь для равновесных сплавов. В реальных условиях охлаждения при литье в металлические и земляные формы эта  область  значительно  сужается (пунктирная линия).

Все промышленные бронзы по микроструктуре можно условно разделить на две группы: однофазные -бронзы и двухфазные + эвтектоид (+). Дельта-фаза представляет собой электронное соединение Cu31Sn8. К числу однофазных сплавов относятся бронзы с содержанием 5-6 % Sn. Бронзы, содержащие свыше 6 % Sn, являются двухфазными. Однофазные бронзы обладают хорошей пластичностью и используются как деформируемые материалы. Двухфазные применяются исключительно в литом виде.

Рисунок 16.6 – Диаграмма состояния Cu-Sn

Для удешевления в большинство промышленных бронз добавляют 5-10 % Zn. Цинк в этих количествах растворяется в меди и не оказывает существенного влияния на структуру. Для улучшения обрабатываемости в бронзу вводят 3-5 % Pb, который присутствует в виде обособленных свинцовистых включений, фосфор вводится в бронзу как раскислитель.

Алюминиевая бронза. Наиболее распространены алюминиевые бронзы, содержащие 5-11 % Al. Сплавы на основе меди с содержанием до 9,8 % имеют однофазную структуру твердого раствора алюминия в меди () (рисунок 16.7). При больших концентрациях алюминия сплавы имеют двухфазную структуру, состоящую из твердого раствора () и эвтектоида (+). Фаза является твердым раствором на основе электронного соединения  Cu32Al19  со сложной кубической решеткой (рисунок 16.8).

Алюминиевые бронзы среди медных сплавов выделяются высокими механическими, коррозионными и антифрикционными свойствами, в связи с чем их широко используют в машиностроении для деталей конструкционного назначения.  Наряду с простыми  алюминиевыми  бронзами используют сложные бронзы.  При введении железа до  4 %  происходит измельчение -фазы, повышение твердости и прочности бронзы за счет его растворения в меди. Благоприятное влияние на свойства оказывают небольшие добавки марганца. Упрочняющее действие марганца связано с легированием твердого раствора. Легирование никелем приводит к повышению жаропрочности бронз.

Рисунок 16.7 – «Медный» участок диаграммы состояния Cu-Al

Рисунок 16.8 – Микроструктура литой бронзы БрА10

Бериллиевая бронза обладает исключительно ценными качествами, диаграмма состояния этой системы приведена на рисунке 16.9. Она имеет высокую прочность и твердость, повышенный предел упругости и усталости. Бериллиевая бронза является ценным пружинным материалом, она с успехом применяется для изготовления деталей, работающих на износ. Этот материал не дает искр при ударе, кроме того, он не магнитен. Большую часть продукции из бериллиевой бронзы выпускают в виде деформированных полуфабрикатов. Бериллиевая бронза является также хорошим литейным материалом.

Рисунок 16.9 – Диаграмма состояния Cu-Be

Наиболее высокие механические свойства имеют сплавы с 2,0-2,5 % бериллия. Как видно из диаграммы состояния, они являются дисперсионно-твердеющими. Растворимость бериллия в меди при комнатной температуре не превышает 0,2 %. Закалка с 800 оС фиксирует пересыщенный раствор бериллия в меди. Последующее искусственное старение при 300 – 350 оС приводит к резкому повышению твердости и прочности, которое связано с выделением из твердого раствора (CuBe) – фазы в форме дисперсных включений.

Широкому распространению бериллиевой бронзы препятствует ее высокая стоимость и дефицитность.

Легкоплавкие подшипниковые сплавы (баббиты). Подшипниковыми сплавами называются материалы, из которых изготавливаются вкладыши подшипников скольжения. При применении очень мягких легкоплавких сплавов (баббитов) гарантируется  минимальный износ шейки вала. Кроме того, они имеют минимальный коэффициент трения со сталью и хорошо удерживают смазку.

По условиям работы подшипниковый сплав должен иметь гетерогенную структуру и состоять из мягкой основы и твердых включений. Мягкая основа обеспечивает хорошую прирабатываемость подшипника к валу, твердые включения служат опорными точками для трущихся частей вала. Небольшая поверхность соприкосновения вала и вкладыша уменьшают трение, а имеющиеся промежутки между валом и мягкой основой обеспечивают хорошую смазку.

В качестве баббитов применяются сплавы системы Pb-Sb, диаграмма состояния которой приведена на рисунке 16.10, Sn-Sb, Pb-Sn-Sb,  а также баббиты на основе цинка с добавками Cu, Al и баббиты на основе алюминия с добавками Cu, Sb, Ni.

Рисунок 16.10 – Диаграмма состояния Pb-Sb

Широкое применение в промышленности получили заэвтектические сплавы системы свинец-сурьма (БС), содержащие 16-18 % Sb. Мягкой основой в этом сплаве является эвтектика (+), твердость которой составляет 7-8 НВ. Твердость включений сурьмы составляет 30 НB. Микроструктура баббита БС, содержащего 16-18 % Sb, приведена на рисунке 16.11. Двойные заэвтектические сплавы  системы  свинец-сурьма  сильно  ликвируют. Кристаллы (твердый раствор свинца в сурьме) при отливке всплывают наверх. Для предотвращения ликвации -кристаллов  в  сплав вводится медь (1-2 %), которая образует с сурьмой химическое соединение Сu3Sb. Это соединение, кристаллизуясь первым, образует скелет, на котором задерживаются -кристаллы.

В системе олово-сурьма (Sn-Sb) олово имеет низкую твердость 5 HВ. Для подшипников скольжения наиболее подходящим является сплав, состоящий из 10-13 % Sb и 87 % Sn, имеющий двухфазную структуру +, где -твердый раствор на основе олова (мягкая составляющая); -твердый раствор на базе интерметаллического соединения SnSb (твердые включения).

Рисунок 16.11 – Микроструктура баббита БС

Задание по работе

1 Зарисовать диаграммы состояния для предложенных систем.

2 Используя диаграммы состояния, описать процессы, протекающие при охлаждении изучаемых сплавов.

3 Определить вид структур в соответствии с диаграммами состояния.

4 Изучить и зарисовать микроструктуры предложенных сплавов.


17
Лабораторная работа № 17. Выбор стали и назначение режима термической обработки

Цель работы: приобретение навыков по обоснованному выбору материалов для деталей машин, станков и инструмента.

Конструкционные легированные стали

Варианты заданий

Вариант 1 

Для некоторых деталей (щеки барабанов, шары дробильных мельниц и т.д.)  выбрана сталь 11ОГ13. Укажите состав и определите группу стали по назначению. Назначьте режим термической обработки и обоснуйте его выбор. Опишите микроструктуру стали и причины ее высокой износоустойчивости.

Вариант 2 

Кулачки должны иметь минимальную деформацию и высокую износоустойчивость при твердости поверхностного слоя 7501000 НV. Для их изготовления выбрана сталь 35ХМЮА. Расшифруйте состав стали и определите группу стали по назначению. Назначьте и обоснуйте режим термической и химико-термической обработки,  объяснив влияние легирования на превращения, происходящие на всех этапах обработки данной стали. Опишите микроструктуру и свойства кулачков после термической обработки.

Вариант 3 

Для изготовления деталей, работающих в активных коррозионных средах, выбрана сталь 14Х17Н2: а) расшифруйте состав и определите группу стали по назначению, б) объясните назначение легирующих элементов, введенных в эту сталь, в) назначьте и обоснуйте режим термической обработки и опишите структуру и свойства стали после обработки.

Вариант 4

 В котлостроении используется сталь 12Х1МФ. Укажите  состав и группу стали по назначению. Назначьте режим термической обработки, приведите его обоснование и опишите структуру стали после термической обработки. Как влияет температура эксплуатации на механические свойства данной стали?

Вариант 5

В результате термической обработки пружины должны получить  высокую упругость. Для их изготовления выбрана сталь 60СХФА. Укажите состав, назначьте и обоснуйте режим термической  обработки, объяснив влияние легирования на превращения, происходящие при термической обработке данной стали. Опишите структуру и свойства пружин после термической  обработки.

Вариант 6 

В турбиностроении используют сталь 40Х12Н8Г8МФБ (ЭИ481). Укажите состав и определите группу стали по назначению. Назначьте режим термической обработки и обоснуйте его. Опишите структуру после термической обработки. Как влияет температура эксплуатации на механические свойства данной стали?

Вариант 7 

 В результате термической и химико-термической обработки шестерни должны получить износоустойчивый поверхностный слой при вязкой сердцевине. Для изготовления их выбрана сталь 18ХГТ. Укажите состав и определите группу стали по назначению. Назначьте и обоснуйте режим термической, химико-термической обработки, объяснив влияние легирования на превращения, происходящие на всех этапах термической обработки данной стали.  Опишите микроструктуру и свойства поверхности и сердцевины шестерни после термической обработки.

Вариант 8 

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.

Вариант 9 

Копиры должны иметь минимальную деформацию и высокую износоустойчивость при твердости поверхностного слоя 750…1000 HV. Для их изготовления выбрана сталь 38ХМФА. Укажите состав и определите группу сплава по назначению. Назначьте и обоснуйте режим термической и химико-термической обработки, объяснив влияние легирования на превращения, происходящие на всех этапах обработки данной стали. Опишите микроструктуру и свойства копиров после термической и химико-термической обработки.

Вариант 10

Для дисков и роторов турбин используется сталь 15Х12ВНМФ. Укажите состав и определите группу стали по назначению. Назначьте и обоснуйте режим термической обработки и опишите структуру. Охарактеризуйте механические свойства стали.

Вариант 11

Назначьте марку жаропрочной стали (сильхром) для клапанов автомобильных и тракторных двигателей небольшой мощности. Укажите состав стали, назначьте и обоснуйте режим термической обработки. Опишите структуру и свойства стали после термической обработки.

Вариант 12 

В результате термической обработки пружины должны  получить высокую упругость. Для их изготовления выбрана сталь 50ХГФА. Укажите  состав, назначьте и обоснуйте режим термической  обработки, объяснив влияние легирования на превращения, происходящие при термической обработке данной стали. Опишите структуру и свойства пружин после термической обработки.

Вариант 13 

Для деталей, работающих в окислительной атмосфере, применяется сталь 12Х13. Укажите состав и определите класс стали по структуре. Объясните  назначение хрома в данной стали и обоснуйте выбор марки стали для этих условий работы.

Вариант 14  

В результате термической обработки тяги должны получить повышенную прочность по всему сечению (твердость 250…280 НВ). Для  их  изготовления выбрана сталь 30ХМ. Укажите состав и определите группу стали по назначению. Назначьте и обоснуйте режим термической обработки, объяснив влияние легирования на превращения, происходящие  при термической обработке данной стали.  Опишите структуру и свойства стали после термической обработки.

Вариант 15 

Для деталей, работающих в контакте с крепкими кислотами, выбрана сталь 12Х17. Укажите состав и определите класс стали. Объясните причину введения хрома в эту сталь и обоснуйте выбор данной стали для указанных условий работы.

Вариант 16 

 В машиностроении используется сталь ШХ15. Укажите состав и определите группу стали по назначению. Назначьте режим термической обработки и приведите его обоснование. Опишите структуру и свойства стали после термической обработки.

Вариант 17 

В результате термической обработки пружины должны получить высокую упругость. Для их изготовления выбрана сталь 70СЗА. Укажите состав и определите группу стали по назначению. Назначьте и обоснуйте режим термической обработки, объяснив влияние легирования на превращения, происходящие при термической обработке данной стали. Опишите структуру и свойства пружин после термической обработки.

Вариант 18 

В результате термической обработки шестерни должны получить твердый износоустойчивый поверхностный слой при вязкой  сердцевине. Для их изготовления выбрана сталь 12ХНЗА. Укажите состав и определите группу стали по назначению. Назначьте режим термической и химико-термической обработки, приведите его обоснование, объяснив влияние легирования на превращения, происходящие на всех этапах обработки данной стали. Опишите структуру и свойства стали после термической обработки.

Вариант 19 

В результате термической обработки полуоси должны получить повышенную прочность  по всему сечению (твердость 230…280 НВ). Для изготовления их выбрана сталь 40ЧРЗ. Укажите состав и определите группу стали по назначению. Назначьте режим термической обработки, приведите его обоснование, объяснив влияние легирования на превращения, происходящие при термической обработке стали. Опишите структуру и свойства стали после термической обработки.

Вариант 20 

В результате термической обработки рычаги должны получить повышенную прочность по всему сечению (твердость 28…35 HRC). Для их изготовления выбрана сталь 35ХМА. Укажите состав и определите группу стали по назначению.  Назначьте режим термической обработки, приведите его обоснование. Опишите микроструктуру и свойства стали после термической обработки.

Вариант 21 

В результате термической обработки коленчатые валы судовых и автомобильных двигателей должны получить прочность по всему сечению (твердость 250…280 НВ). Для изготовления  их выбрана сталь 40ХФА. Укажите состав и определите группу стали по назначению. Назначьте и обоснуйте режим термической обработки, объяснив влияние легирования на превращения при термической обработке данной стали. Опишите структуру и свойства стали после термической обработки.

Вариант 22 

Копиры должны иметь минимальную деформацию и высокую износоустойчивость  поверхностного слоя при твердости 750…1000 HV. Для их изготовления выбрана сталь 38ХВФЮА. Укажите состав и определите группу стали по назначению. Назначьте и обоснуйте режим термической и химико-термической обработки, объяснив влияние  легирования на превращения, происходящие на всех этапах обработки данной стали. Опишите структуру и свойства стали после обработки.

Вариант 23 

Гильзы цилиндров двигателей внутреннего сгорания  должны иметь высокую твердость и износоустойчивость поверхностного слоя 750…1000 HV. Для изготовления их выбрана сталь 38Х2МЮА. Укажите состав и определите группу стали по назначению. Назначьте и обоснуйте режим термической и химико-термической обработки, объяснив влияние легирования на превращения в стали при ее термической обработке. Опишите структуру и свойства поверхностного слоя сердцевины гильзы.

Вариант 24 

В результате термической обработки оправки должны получить повышенную прочность по всему сечению (твердость 250…280 НВ). Для изготовления их выбрана сталь 40ХН. Укажите состав и определите группу стали по назначению. Назначьте и обоснуйте  режим термической обработки, объяснив влияние легирования на превращения, происходящие при термической обработке этой стали. Опишите  структуру и свойства оправок  после термической обработки.

Вариант 25 

Для изготовления деталей подшипников качения выбрана сталь ШХ15СГ. Укажите состав стали, назначьте режим термической обработки  и приведите свойства стали после термической обработки.

Пример выполнения задания

Задание

Копиры должны иметь минимальную деформацию и высокую износоустойчивость (твердость поверхностного слоя 750…1000 HV). Для их изготовления выбрана сталь 38ХМЮА. Необходимо: расшифровать состав и определить, к какой группе по назначению относится данная сталь; назначить и обосновать режим термической  обработки, объяснив влияние легирования на превращения, происходящие на всех этапах обработки данной стали; описать микроструктуру и свойства стали после термической и химико-термической обработки.

Копиры широко применяются в станках-автоматах и работают в условиях контактного нагружения, по конструктивным особенностям (отношение l/d) относятся к дискообразным деталям.

Поскольку дискообразные детали технологически не жесткие, при назначении режимов термообработки следует предупреждать их коробление.

Для копиров, требующих высокую поверхностную твердость (750…   1000 HV), оптимальным вариантом упрочнения является улучшение с последующим азотированием. Азотирование как метод поверхностного упрочнения обеспечивает минимальную деформацию, высокую износостойкость, коррозийную стойкость в атмосфере. Обладая повышенной хрупкостью, азотированный слой должен опираться на упрочненную   подложку. В данном процессе ее формируют закалка и высокий отпуск.

Для изготовления копиров выбран нитраллой (азотируемая сталь) 38ХМЮА – конструкционная улучшаемая сталь. Химический состав этой стали по ГОСТ 4543-71, в процентах: углерод – 0,35…0,42, хром (Х) – 1,35…1,65, молибден (М) – 0,15…0,25, алюминий (Ю) – 0,7…1,1, сера и фосфор – не более 0,025 (сталь высококачественная, что определяется и маркой стали – буква А ).

В состоянии поставки сталь 38ХМЮА имеет нормализованную структуру – мелкозернистый феррит – легированный перлит .

Нагрев под закалку стали 38ХМЮ следует проводить  с учетом ее легированности. Для получения однородного гомогенного аустенита легированного нагрев проводят до 920…950 оС . Учитывая склонность стали к обезуглероживанию, продолжительность нагрева должна быть минимальной, но достаточной для образования однородного аустенита.

Хром, молибден и особенно алюминий сдерживают рост аустенитного зерна при нагреве. Поэтому формирование крупного зерна в стали 38ХМЮА не происходит.

Охлаждение  назначают в зависимости от размеров копира: в воде – для деталей диаметром более 50…80 мм и в масле – для деталей диаметром до 50 мм. Структура стали после закалки:  мартенсит закалки + аустенит остаточный.

Легирующие элементы хром и молибден, снижая критическую скорость закалки, увеличивают  прокаливаемость стали. Критический диаметр у стали 38ХМЮА dкр = 45 мм (при закалке в масле) и dкр = 70 мм (при закалке в воде).

После закалки проводят высокий отпуск. Температура отпуска должна на 50…100 оС превышать температуру азотирования. Назначаем температуру отпуска 600…650 оС. В процессе выдержки  при отпуске протекает распад Мзак и Аост на зернистую среднедисперсную смесь феррита и цементита, называемую сорбитом отпуска. Молибден, имеющийся в стали, предупреждает развитие обратимой отпускной хрупкости, поэтому детали можно охлаждать медленно (допускается охлаждение и в масле).

После отпуска следует азотирование. Для обеспечения требуемой твердости 750…1000 HV, азотирование проводят при 520…540 о С в течение 20…30 ч,  при  этом образуется диффузионный слой толщиной 0,2…0,3 мм.

Наличие хрома и алюминия способствует формированию в слое специальных  нитридов CrN и AlN, что приводит к повышению твердости слоя.

Строение азотированного слоя определяется характером взаимодействия азота с железом. В общем случае диффузионный слой имеет следующее строение. На поверхности образуется -фаза (твердый раствор на базе нитрида Fe3N, содержащий приблизительно 9,5…11,0 % азота).

Испытывая распад, -фаза переходит в -фазу (твердый раствор на базе нитрида Fe N, содержащий приблизительно 5,3…5,7 % азота). По мере увеличения толщины слоя количество - фазы уменьшается. Феррит -фазы, входящий в состав сорбита отпуска, насыщается азотом до 0,004 %. Сердцевина изделия имеет структуру сорбита.

Механические свойства в готовом изделии: В = 900 МПа, и = 750 МПа,    = 10 %,   = 45%,  аН = 80 Дж/см2, твердость поверхности 750…1000 HV .

Инструментальные стали и сплавы

Вариант 1 

Для изготовления резцов выбрана сталь Р6М5. Укажите состав и определите группу стали по назначению. Назначьте и обоснуйте режим термической обработки, объяснив влияние легирования на превращения, происходящие при термической обработке данной стали. Опишите макроструктуру и главные свойства резцов после термической обработки.

Вариант 2 

Для изготовления разверток выбрана сталь ХВСГ. Укажите состав и определите группу стали по назначению. Назначьте и обоснуйте режим термической обработки. Опишите микроструктуру и свойства разверток после термической обработки.

Вариант 3 

Для изготовления фрез выбрана сталь 9ХС. Укажите состав и определите 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 фрез после термической обработки.

Вариант 4 

Для изготовления прошивочных пуансонов выбрана сталь Р18. Укажите состав стали и определите, к какой группе по назначению относится данная сталь. Назначьте и обоснуйте режим термической обработки, объяснив влияние легирования на превращения, происходящие при термической обработке данной стали. Опишите микроструктуру и свойства  пуансонов после термической обработки.

Вариант 5 

Для изготовления шаберов выбрана сталь Х05. Укажите состав и определите группу стали по назначению. Назначьте и обоснуйте режим термической обработки. Опишите структуру и свойства стали после термической обработки.

Вариант 6 

Для  изготовления штампов,  обрабатывающих металл в горячем состоянии, выбрана сталь 5ХНТ. Укажите состав, назначьте режим термической обработки, приведите его обоснование,  объяснив влияние легирования на превращения, происходящие при термической обработке данной стали. Опишите структуру и свойства штампов после термической обработки.

Вариант 7 

Для изготовления машинных метчиков выбрана сталь Р10К5Ф5. Укажите состав и определите группу стали по назначению. Назначьте режим термической обработки, приведите его обоснование, объяснив влияние легирования на превращения, происходящие на всех этапах термической обработки данной стали. Опишите структуру и свойства стали после термической обработки.

Вариант 8 

Укажите металлокерамические твердые сплавы для изготовления режущего инструмента. Опишите их строение, состав, свойства и способ изготовления.

Вариант 9 

Для изготовления деталей штампов, обрабатывающих металл в горячем состоянии, выбрана сталь 5ХНМА. Укажите состав, назначьте  и обоснуйте режим термической обработки, объяснив влияние легирования на превращения, происходящие при термической обработке этой стали. Опишите микроструктуру и свойства штампов после термической обработки.

Вариант 10 

Для изготовления пресс-форм выбрана сталь 3Х2В8. Укажите состав и определите группу стали по назначению. Назначьте и обоснуйте режим термической обработки, объяснив влияние легирования на превращения, происходящие при термической обработке данной стали. Опишите структуру и свойства пресс-форм после термической обработки.

Вариант 11 

Для изготовления машинных метчиков и плашек выбрана сталь Р9Ф5. Укажите состав, назначьте и обоснуйте режим термической обработки, объяснив влияние легирующих элементов на превращения, происходящие на всех этапах термической обработки.  Опишите микроструктуру и свойства стали после термической обработки.

Вариант 12 

Для изготовления штампов выбрана сталь 6ХС. Укажите состав и определите группу стали по назначению. Назначьте режим термической обработки, приведите его обоснование. Опишите микроструктуру и свойства стали после термической обработки.

Вариант 13 

Для изготовления обрезных штампов выбрана сталь Х12М. Укажите состав, назначьте и обоснуйте режим термической обработки, объяснив влияние легирования на все превращения, происходящие при термической обработке стали. Опишите микроструктуру и свойства стали после термической обработки.

Вариант 14 

Для изготовления резцов выбрана сталь ХВ5. Укажите состав, 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.

Вариант 15 

Для изготовления молотовых штампов выбрана сталь 5ХНСВ. Укажите состав и группу стали по назначению. Назначьте режим термической обработки,  приведите его обоснование, объяснив влияние легирования на превращения при термической обработке этой стали. Укажите структуру, свойства и требования, предъявляемые к штампам горячей штамповки.

Вариант 16 

Для изготовления высадочных и чеканочных штампов выбрана сталь 4ХВС. Укажите состав и определите группу стали по назначению. Назначьте режим термической обработки, приведите его обоснование, объяснив влияние легирования на превращения при термической обработке этой стали. Опишите структуру и свойства штампов после термической обработки.

Вариант 17 

Для изготовления режущего инструмента выбрана сталь Р6М5К5. Укажите состав и определите группу стали по назначению. Назначьте режим термической обработки, приведите его обоснование, объяснив влияние легирования на превращения, происходящие на всех этапах термической обработки данной стали. Опишите микроструктуру  и свойства стали после термической обработки.

Вариант 18 

Для изготовления обрезных штампов выбрана сталь Х6ВФ. Укажите состав, назначьте и обоснуйте  режим термической обработки, объяснив влияние легирования на превращения, происходящие при термической  обработке. Опишите структуру и свойства штампов после термической обработки.

Вариант 19 

Для изготовления штампов горячей штамповки выбрана сталь 4Х3ВМФ. Назначьте и обоснуйте режим термической обработки, объяснив влияние легирования на превращения, происходящие при термической обработке этой стали. Укажите микроструктуру и свойства штампов после  термической обработки.

Вариант 20 

Для изготовления молотовых штампов выбрана сталь 5ХНВ. Расшифруйте состав и определите группу стали по назначению. Назначьте режим термической обработки, приведите его обоснование, объяснив влияние легирования на превращения, происходящие при термической обработке данной стали. Опишите микроструктуру и свойства штампов после термической  обработки.

Вариант 21 

Для изготовления матриц холодной штамповки выбрана сталь Х12Ф1. Укажите состав, назначьте и обоснуйте режим термической обработки, объяснив влияние легирования на превращения, происходящие при термической обработке данной стали. Опишите структуру и свойства матриц после термической обработки.

Вариант 22 

Для изготовления обрезных матриц и пуансонов выбрана сталь 9ХФ. Расшифруйте состав и определите группу стали по назначению. Назначьте режим термической обработки, приведите его обоснование, объяснив влияние легирования на превращения, происходящие при термической  обработке данной стали. Опишите структуру и свойства инструмента после термической обработки.

Вариант 23 

Для изготовления ножовок по металлу выбрана сталь В1. Расшифруйте состав и определите группу стали по назначению. Назначьте режим термической обработки, приведите его обоснование, объяснив влияние легирования на превращения, происходящие при термической обработке ножовок. Опишите структуру и свойства стали после термической обработки.

Вариант 24 

Для изготовления калибров выбрана сталь 9Х18. Укажите состав и определите группу стали по назначению. Назначьте режим термической обработки, дайте его обоснование и укажите микроструктуру и свойства калибров после термической обработки. Объясните назначение хрома в данной стали.

Вариант 25 

Для изготовления измерительного инструмента выбрана сталь ХВ1. Укажите состав, назначьте и обоснуйте режим термической обработки, объяснив влияние легирования на превращения, происходящие при термической обработке данной стали. Опишите структуру и свойства инструмента в готовом виде.

Пример выполнения задания

Задание 

Для изготовления ручных метчиков выбрана сталь 11ХФ. Расшифровать состав стали. Назначить и обосновать режим термической обработки. Описать влияние легирующих элементов на превращения, происходящие на всех этапах термической обработки. Указать структуру и свойства инструмента после термической обработки.

Решение

Состав стали, в процентах: 1,1 углерода, до 1 хрома, до 1 ванадия. По назначению сталь относится к инструментальным режущим сталям. Режим термической обработки метчиков: закалка, t = 800…820 о С в течение 1…2 ч. Твердость метчиков после термической обработки 62…64 HRC.

Выбранный режим термической обработки диктуется условиями работы и требуемыми свойствами инструмента. В процессе резания режущая часть инструмента внедряется в обрабатываемую деталь и отрывает частицы материала в виде стружки. Для выполнения такой  работы инструмент должен обладать высокой твердостью, превышающей твердость обрабатываемого инструмента. В процессе работы режущая часть инструмента все время соприкасается со снимаемой стружкой, т. е. происходит непрерывное литье и износ поверхности режущей части инструмента. Поэтому сталь должна иметь высокую износостойкость.

Твердость стали зависит от содержания углерода в стали (в мартенсите). Содержание  углерода в стали 1,1 % обеспечит требуемую твердость при закалке.

Оптимальная    температура    нагрева    под  закалку соответствует Ас1 + (30…50о С).

Наличие в структуре карбидов препятствует росту зерна и получению мелкоигольчатой мартенситной структуры при охлаждении.

В процессе резания метчики не разогреваются выше 100…150 о С, высокая твердость по всему сечению не требуется, поэтому сталь 11ХФ пригодна для их изготовления.

Наличие хрома и ванадия в стали позволяет при закалке охлаждать метчики в масле, что уменьшает деформацию и коробление.

Мартенсит закалки обладает высокой твердостью и прочностью, но хрупок. Для устранения  внутренних напряжений, возникающих при закалке и получения требуемых механических свойств сталь подвергают низкому износу. При этом мартенсит закалки переводится в отпущенный мартенсит, повышается прочность и незначительно улучшается вязкость стали без заметного снижения твердости.

Легирующие элементы, присутствующие в стали, оказывают существенное влияние на процессы, протекающие при термической обработке.

Хром и ванадий предотвращает рост зерна аустенита при нагреве аустенита в районе перлитного превращения, что способствует более глубокой прокаливаемости. Наличие легирующих элементов позволяет при закалке охлаждать метчики в масле, что уменьшает деформацию и коробление.

При  отпуске легирующие элементы замедляют процесс распада мартенсита, сохраняя более высокую твердость стали.

Задание по работе

1 Получить номер задания у преподавателя.

2 Свойства, режимы термообработки основных материалов имеются в сплавочной литературе, с которой студент должен ознакомиться.

3 При рекомендации режимов обработки следует назначать наиболее экономичные и высокопроизводительные (индукционная закалка, газовая цементация и др.).

4 В отдельных случаях следует приводить и экономическое обоснование выбора материала или процесса его термического упрочнения.


Список литературы

1 Лахтин, Ю. М. Материаловедение: учебник / Ю. М. Лахтин, В.П. Леонтьева. - М.: Машиностроение, 1990.- 527 с.

2 Лахтин, Ю.М. Металловедение и термическая обработка: учебник / Ю. М. Лахтин.- М.: Металлургия, 1983. -359 с.

3 Гуляев, А.П. Металловедение: учебник / А.П. Гуляев.- М.: Металлургиздат, 1986. -648 с.

4 Арзамасов, Б.Н. Материаловедение: учебник / Б.Н. Арзамасов [и др.]. - М.: Машиностроение, 1986. –383 с.

5 Гольштейн, М.И. Специальные стали: справочник /  М.И. Гольштейн, С.В.Грачев, Ю.Г. Верслер.- М.: Металлургия, 1986. – 408 с.

6 Термическая обработка в машиностроении:  справочник / Под ред. Ю.М. Лахтина.- М.: Машиностроение, 1980.-783 с.

7 Журавлев, В.Н. Машиностроительные стали: справочник / В.Н. Журавлев, О.Н. Николаева. - М.: Машиностроение, 1981. - 392 с.

8 Худокормова, Р.Н. Материаловедение: лабораторный практикум: учеб. пособие для вузов / Р.Н. Худокормова, Ф.И. Пантелеенко; под ред. Л.С. Ляховича. - Мн.: Выш. шк., 1988.- 224 с.

9 Конструкционные материалы: справочник/ Под ред. Б.Н.Арзамасова - М.: Машиностроение, 1990. -688с.


 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

38668. ДИСКУРС ОБ АВТОРСТВЕ В ПОСТСОВЕТСКОЙ КИНОКРИТИКЕ НА ПРИМЕРЕ ДЭВИДА ЛИНЧА 910.5 KB
  вторский кинематограф остается на сегодняшний день закрытым для многих, чьи потребности уже вышли за рамки развлекательного кино отчасти из-за непонимания сложившегося в мире киноязыка, отчасти из-за бессилия кинокритики в доступной и объективной форме интерпретировать произведения. К авторскому кинематографу сформировалось отношение как к чему-то субъективному и непознаваемому по своей природе.
38669. Расчет плиты междуэтажного перекрытия марки ПТМ 56.12.22-7.0S800. СТБ 1383-2003 696 KB
  Расчёт рабочей арматуры Расчётное сечениетавровое геометрические размеры которого показаны на рисунке 2.Расчёт рабочей арматуры плиты производится исходя из методики расчёта изгибаемых элементов по альтернативной модели в предположении прямоугольной эпюры распределения напряжений в сжатой зоне бетона.4 где d=hc=22040=180мм ds – 20мм предполагаемый максимальный диаметр арматуры.7...
38670. Ресурсы основных видов охотничьих животных и их использование в Белохолуницком охотничье – промысловом участке Кировской области 420.5 KB
  Перечисленное стало основой к принятию ряда Законов РФ «Об охране окружающей среды; О животном мире; Об охоте…» и Кодексов (Водный; Лесной; и др.). В перечисленных документах определена и задействована роль охотничьего хозяйства и охотпользователей.
38671. Вивчення гідрогеологічних умов ділянки водозабору (св.55е) столової води та затвердження її експлуатаційних запасів у ДКЗ України в кількості 288 м3/добу 1.24 MB
  АБ акціонерного товариства закритого типу АТЗТ Новомосковський завод мінводи. Відповідно до вищевказаних документів розвідувальні роботи необхідно було виконати на ділянці водозабору свердловина №55е мінеральної столової води Новотроїцька який розташовано на території Новомосковського заводу мінводи у 2 км на захід від с.55е столової води та затвердження її експлуатаційних запасів у ДКЗ України в кількості 288 м3 добу.Солоний Лиман на відстані 55 км від Новомосковського заводу мінводи св.
38672. ПРАВОСЛАВНЫЕ ХРАМЫ СИМФЕРОПОЛЯ (КОНЕЦ XVIII – НАЧАЛО XXI ВЕКА) 330 KB
  Изучение вопросов религии, и её места в жизни общества представляет насущную задачу в наше время. Долгое время проблемы религии не рассматривались, так как шли вразрез с советской идеологией. Доступ к данным по возникновению и развитию православных храмов был ограничен, что обусловило отсутствие информации во многих исследованиях и учебных пособиях по истории
38673. Монтаж ленточных фундаментов и гидроизоляцию фундаментов одноэтажного здания с размерами в плане 61,8×30м 399 KB
  1 Технологическая карта разработана на монтаж ленточных фундаментов и гидроизоляцию фундаментов одноэтажного здания с размерами в плане 618×30м.2 В состав работ последовательно выполняемых при монтаже зданий входят: 1.4 Технологическая карта предусматривает выполнение работ с помощью крана КС0561. Контроль качества работ.
38674. Влияние редкоземельных элементов на оптические свойства германия 5.34 MB
  Поглощение в германии. именно кислородные комплексы оказывают наибольшее влияние на поглощение. В данной работе исследуется оптическое поглощение монокристалла германия легированного несколькими редкоземельными металлами на длине волны 106 мкм с целью выявления зависимости оптических свойств германия от влияния того или иного элемента и на основе этого вынести предположение о месте лантаноидов в таблице Менделеева. Поглощение – это ослабление излучения при прохождении через среду в результате взаимодействия его со средой и превращения...
38675. Использование игровых приемов при коррекции лексико-грамматических нарушений у детей старшего дошкольного возраста с ОНР III уровня 567.5 KB
  Изучение вопроса формирования навыка словоизменения и словообразования у детей с ОНР III уровня.2 Психологопедагогическая характеристика детей с ОНР III уровня 12 1.3 Развитие лексикограмматических навыков у детей старшего дошкольного возраста посредством игровых приемов16 ВЫВОДЫ ПО ПЕРВОЙ ГЛАВЕ 19 ГЛАВА 2. Практическое исследование сформированности лексикограмматических навыков у детей старшего дошкольного возраста с ОНР III уровня.
38676. Построение структурной модели Софроницкого месторождения с использованием 3D моделирования 4.42 MB
  Литологостратиграфическая характеристика Геологический разрез Софроницкого месторождения Забродовской площади изучен по данным структурных поисковых и разведочных скважин до глубины 1780 м скважина №252 и представлен от четвертичных отложений до турнейских отложений. на структуре пробурено 4 скважины до отложений турнейского яруса: поисковые – 229; разведочные – 230 238 252. Максимально вскрытая глубина 1790 м скв. Все скважины – в консервации.