Шпаргалка по "Материаловедению"

Для классификации технологических  схем ТМО целесообразно выбрать  в качестве классификационного признака последовательность проведения пластического  деформирования и термической обработки.

 

28. Дефекты возникающие при закалке.

К дефектам закалки относятся: трещины, поводки, или коробление и обезуглероживание.

Главная причина трещин и поводки  – неравномерное изменение объема детали при нагреве и, особенно, при  резком охлаждении. Другая причина  – увеличение объема при закалке на мартенсит.

Трещины возникают потому, что напряжения при неравномерном изменении  объема в отдельных местах детали превышают прочность металла  в этих местах. Лучшим способом уменьшения напряжений является медленное охлаждение около температуры мартенситного превращения (точка М Н). При конструировании деталей необходимо учитывать, что наличие острых углов и резких изменений сечения увеличивает внутреннее напряжение при закалке.

Коробление (или поводка) возникает  также от напряжений в результате неравномерного охлаждения и проявляется в искривлениях деталей. Если эти искривления невелики, они могут быть исправлены, например, шлифованием. Трещины и коробление могут быть предотвращены предварительным отжигом деталей, равномерным и постепенным нагревом их, а также применением ступенчатой и изотермической закалки.

Обезуглероживание стали с поверхности  – результат выгорания углерода при высоком и продолжительном  нагреве детали в окислительной  среде. Для предотвращения обезуглероживания  детали нагревают в восстановительной или нейтральной среде (восстановительное пламя, муфельные печи, нагрев в жидких средах).

Образование окалины на поверхности  изделия приводит к угару металла, деформации. Это уменьшает теплопроводность и, стало быть, понижает скорость нагрева изделия в печи, затрудняет механическую обработку. Удаляют окалину либо механическим способом, либо химическим (травлением).

Выгоревший с поверхности металла  углерод делает изделия обезуглероженным с пониженными прочностными характеристиками, с затрудненной механической обработкой. Интенсивность, с которой происходит окисление и обезуглерожевание, зависит от температуры нагрева, т.е. чем больше нагрев, тем быстрее идут процессы.

Образование окалины при нагреве  можно избежать, если под закалку применить пасту, состоящую из жидкого стекла - 100 г, огнеупорной глины - 75 г, графита - 25 г, буры - 14 г, карборунда - 30 г, воды - 100 г.

Пасту наносят на изделие и дают ей высохнуть, затем нагревают изделие  обычным способом. После закалки  его промывают в горячем содовом растворе. Для предупреждения образования окалины на инструментах быстрорежущей стали применяют покрытие бурой. Для этого нагретый до 850oС инструмент погружают в насыщенный водный раствор или порошок буры.

 

29. Поверхностная закалка

Поверхностная закалка – процесс  упрочнения стальных изделий, путем  нагрева только поверхностного слоя изделия из стали и последующего охлаждения. При этом сердцевина изделия  остается такой же, как и до поверхностной  закалки, а верхний слой имеет  хорошую твердость и прочность.

Существует 4 вида поверхностной закалки:

1) закалка токами высокой частоты  (ТВЧ) 

2) газопламенный нагрев 

3) нагрев в электролите 

4) лазерный нагрев

 

30. Химико-термическая  обработка стали. Цементация. Азотирование

Химико-термическая обработка (ХТО) стали - совокупность операций термической обработки с насыщением поверхности изделия различными элементами (углерод, азот, алюминий, кремний, хром и др.) при высоких температурах.

Химико-термическая обработка повышает твердость, износостойкость, кавитационную, коррозионную стойкость. Химико-термическая обработка, создавая на поверхности изделий благоприятные остаточные напряжения сжатия, увеличивает надежность, долговечность.

Цементация – химико-термическая обработка, заключающаяся в диффузионном насыщении поверхностного слоя атомами углерода при нагреве до температуры 900…950 ^oС.

Цементации подвергают стали с  низким содержанием углерода (до 0,25 %).

Нагрев изделий осуществляют в  среде, легко отдающей углерод. Подобрав режимы обработки, поверхностный слой насыщают углеродом до требуемой глубины.

Глубина цементации (h) – расстояние от поверхности изделия до середины зоны, где в структуре имеются одинаковые объемы феррита и перлита ( h. = 1…2 мм).

Степень цементации – среднее содержание углерода в поверхностном слое (обычно, не более 1,2 %).

Более высокое содержание углерода приводит к образованию значительных количеств цементита вторичного, сообщающего слою повышенную хрупкость.

На практике применяют цементацию в твердом и газовом карбюризаторе (науглероживающей среде).

Участки деталей, которые не подвергаются цементации, предварительно покрываются  медью (электролитическим способом) или глиняной смесью.

Азотирование – химико-термическая обработка, при которой поверхностные слои насыщаются азотом.

Впервые азотирование осуществил Чижевский  И.П., промышленное применение – в  двадцатые годы.

При азотировании увеличиваются не только твердость и износостойкость, но также повышается коррозионная стойкость.

При азотировании изделия загружают  в герметичные печи, куда поступает аммиак NH₃ c определенной скоростью. При нагреве аммиак диссоциирует по реакции: 2NH₃>2N+3H₂. Атомарный азот поглощается поверхностью и диффундирует вглубь изделия.

Фазы, получающиеся в азотированном  слое углеродистых сталей, не обеспечивают высокой твердость, и образующийся слой хрупкий.

Для азотирования используют стали, содержащие алюминий, молибден, хром, титан. Нитриды  этих элементов дисперсны и обладают высокой твердостью и термической  устойчивостью.

Типовые азотируемые стали: 38ХМЮА, 35ХМЮА, 30ХТ2Н3Ю.

Глубина и поверхностная твердость  азотированного слоя зависят от ряда факторов, из которых основные: температура  азотирования, продолжительность азотирования и состав азотируемой стали.

 

31. Маркировка легированных  сталей.

Марка легированной качественной стали в России состоит из сочетания букв и цифр, обозначающих ее химический состав. Легирующие элементы имеют следующие обозначения: хром (Х), никель (Н), марганец (Г), кремний (С), молибден (М), вольфрам (В), титан (Т), тантал (ТТ), алюминий (Ю), ванадий (Ф), медь (Д), бор (Р), кобальт (К), ниобий (Б), цирконий (Ц), селен (Е), редкоземельные металлы (Ч). Цифра, стоящая после буквы, указывает на содержание легирующего элемента в процентах. Если цифра не указана, то легирующего элемента содержится 0,8-1,5 %, за исключением молибдена и ванадия (содержание которых в солях обычно до 0.2-0.3%) А также бора (в стали с буквой Р его должно быть не менее 0...0.010%). В конструкционных качественных легированных сталях две первые цифры показывают содержимое углерода в сотых долях процента. [6]

Пример: 03Х16Н15М3Б - высоколегированная качественная сталь, которая содержит 0.03% C, 16% Cr, 15% Ni, до 3% Mo, до 1.0% Nb

 

32. Коррозионно стойкие  (нержав.) стали и сплавы.

Хромистые нержавеющие стали

Хром - основной легирующий элемент, делающий сталь коррозионностойкой в окислительных  средах. Коррозионная стойкость хромистых  нержавеющих сталей объясняется  образованием на поверхности защитной плотной пассивной пленки окисла Сr2O3. Такая пленка образуется только при содержании хрома более 12,5% (ат.). Именно при таком содержании хрома (n = 1) потенциал скачком изменяется от - 0,6 до +0,2 В

Хромоникелевые нержавеющие стали

Никель относится к числу  металлов, легко приобретающих пассивность, хотя его пассивирующая способность меньше хрома и молибдена. Добавление никеля к железу в количестве 1/8 моля скачкообразно улучшает коррозионную стойкость сплава в серной кислоте. При концентрации никеля 2/3 моля коррозионная стойкость повышается еще больше.

Коррозионностойкие сплавы и чугуны

Кроме нержавеющих сталей, в промышленности используют и другие коррозионностойкие сплавы.

Для особо агрессивных сред применяют  сплавы на никелевой основе типа хастеллой (сплавы НИМО). Содержание никеля в этих сплавах достигает 80%. Вторым элементом, присутствующим в этих сплавах в больших количествах, является молибден (15-30%). Эти сплавы обладают очень высокой коррозионной стойкостью в таких средах, где, кроме них, устойчивы лишь немногие металлы (например, в кипящей фосфорной кислоте до концентрации 50%, в кипящей соляной кислоте до 20% и др.).

Коррозионностойкие чугуны стойки во многих агрессивных средах (и  не только в окислительных). Они, как  правило, жаростойки. Легированные чугуны дешевле нержавеющих сталей, обладают хорошими литейными свойствами, поэтому изделия из них получают методами литья. Химический состав и свойства кислотостойких чугунов приведены в ГОСТ 2176-67 и ГОСТ 2233-70 (табл. 12).Хромистые чугуны содержат 26-36% Сr. Структура хромистых чугунов - твердый раствор хромистого феррита и эвтектические карбиды. Карбиды могут находиться и в свободном состоянии, причем преимущественно образуются карбиды Сr7С3.

 

33. Жаропрочные стали  и сплавы.

В зависимости от того, какова прочность  сталей при различных температурах, эти стали условно можно разделить на две группы: стали теплопрочные, работающие до 350-500° С, и жаропрочные, работающие при более высоких температурах.

Так как обычные конструкционные  стали имеют высокую прочность  до 300° С, то при этих температурах нет надобности в применении высоколегированных сталей. Для работы в интервале температур 350-500° С применяют легированные стали перлитного и ферритного классов (рис. 161). Для более высоких температур используют стали аустенитного класса. При 700-900° С применяют сплавы на основе никеля. При еще более высоких температурах используют сплавы на основе тугоплавких металлов - молибдена, хрома и др. Указанные пределы являются условными и выбор необходимых материалов определяется в каждом случае конкретно.

Перлитные жаропрочные стали. К этой группе относятся котельные стали и сильхромы.

Котельные стали содержат небольшое  количество углерода (примерно 0,15-0,20% С). Это обусловлено тем, что детали котлов соединяют главным образом  сваркой. Для котлов низких параметров применяют обычные низко-углеродистые стали, например сталь 20. Для котлов высоких параметров используют малоуглеродистые низколегированные стали 15ХГС, 12ХМ, 15ХМФ, 12Х2МБ, обычно содержащие 0,5-2,5% Сr; 0,5-1% Mo; 0,15-0,5% V. Иногда в эти стали добавляют и другие элементы.

Сильхромами называют стали, содержащие хром, кремний и молибден: 15X5, 15Х5М, 40Х9С2, 40Х10С2М. Состав сильхромов приведен в ГОСТ 5632-72. Содержание углерода колеблется от 0,15 (15Х5М) до 0,45% (40ХС2М). Высокое содержание хрома и кремния делает эти стали не только жаропрочными, но и жаростойкими. Недостатком сильхромов является их склонность к отпускной хрупкости II рода. Легирование молибденом уменьшает возможность появления хрупкого состояния при нагреве до 450-500° С.

Из сильхромов изготавливают клапаны двигателей внутреннего сгорания, рекуператоры, теплообменники и другие подобные изделия и конструкции. Высоколегированные сильхромы применяют до 700-800° С.

Никелевые сплавы используют в деформированном  и литом состояниях. Преимущественно их применяют в деформированном виде. По структуре эти сплавы разделяют на гомогенные (нихромы, инконели) и гетерогенные (нимоники). Общим для всех сплавов на основе никеля является минимальное содержание углерода (0,06-0,12%).

Нихромы. Это сплавы, основой которых является никель, а основным легирующим элементом - хром (ХН60Ю, ХН78Т).

Нихромы не обладают высокой жаропрочностью, но они очень жаростойки. Поэтому  их применяют для ненагруженных  деталей, работающих в окислительных  средах, в том числе и для  нагревательных элементов. Нимоники. В состав этих сплавов, кроме хрома, добавляют титан, алюминий, молибден, вольфрам и т. д. При термической обработке они образуют с никелем (кобальтом, хромом) дисперсные интерметаллидные фазы типа (Ni, Co, Cr)3Ti, (Ni, Со, Сг)3 Аl, упрочняя нимоники. Кобальтовые сплавы. Применяют редко ввиду большой дефицитности кобальта, хотя они по свойствам лучше сплавов на основе никеля. Молибден и его сплавы. Сплавы на основе молибдена применяют более часто по сравнению с другими тугоплавкими сплавами. В качестве легирующих добавок для повышения температур рекристаллизации в них вводят титан, цирконий, ниобии.

 

34. Инструментальные стали  и их разновидности

Инструментальная сталь  должна обладать высокой твердостью, износостойкостью, достаточной прочностью и вязкостью (для инструментов ударного действия).

Режущие кромки могут  нагреваться до температуры 500…900^oС, поэтому важным свойством является теплостойкость, т. е., cпособность сохранять высокую твердость и режущую способность при продолжительном нагреве (красностойкость).

Углеродистые  инструментальные стали (ГОСТ 1435).

Содержат 0,65…1,35% углерода.

Стали У7…У13А – обладают высокой твердостью, хорошо шлифуются, дешевы и недефицитны.

Из сталей марок У7, У8А изготавливают инструмент для  работы по дереву и инструмент ударного действия, когда требуется повышенная вязкость – пуансоны, зубила, штампы, молотки.

Стали марок У9…У12 обладают более высокой твердостью и износостойкостью – используются для изготовления сверл, метчиков, фрез.

Сталь У13 обладает максимальной твердостью, используется для изготовления напильников, граверного инструмента.

Для снижения твердости  и создания благоприятной структуры, все инструментальные стали до изготовления инструмента подвергают отжигу.

Для заэвтектоидных сталей проводят сфероидизирующий отжиг, в  результате которого цементит вторичный приобретает зернистую форму. Регулируя скорость охлаждения можно получить любой размер зерен.

Окончательная термическая  обработка – закалка с последующим  отпуском.

Закалку для доэвтектоидных сталей проводят полную, а для заэвтектоидных – неполную. Структура закаленных сталей или мартенсит, или мартенсит и карбиды.

Температура отпуска  выбирается в зависимости от твердости, необходимой для инструмента.

Легированные  инструментальные стали