5 ткм 2013. Готовления их выбрана сталь зохма а расшифруйте состав и определите группу стали по назначению
 Скачать 1.47 Mb.
|
|
1. Кулачки должны иметь минимальную деформацию и высокую твер- дость и износоустойчивость поверхностного слоя (НУ750—1000). Для из- готовления их выбрана сталь ЗОХМА: а) расшифруйте состав и определите группу стали по назначению; б) назначьте режим термической и химико-термической обработки, при- ведите подробное его обоснование, объяснив влияние легирования на превращения в стали при ее термической обработке. в) опишите структуру и свойства изделий на поверхности и в сердце- вине. Сталь 30ХМА содержит в среднем 0,3% углерода, Х - указывает содержание хрома в стали примерно 1%, М - указывает содержание молибдена в стали до 1%, буква А в конце марки означает, что сталь высококачественная. Легированная конструкционная сталь 30ХМА применяется для деталей рабо- тающих при высокой температуре (до 500°С): валы, турбинные роторы и диски, крепежные детали и т.п. Сталь обладает повышенной прокаливаемостью. Химический состав в % материала 30ХМА C Si Mn Ni S P Cr Mo Cu 0.26 - 0.33 0.17 - 0.37 0.4 - 0.7 до 0.3 до 0.025 до 0.025 0.8 - 1.1 0.15 - 0.25 до 0.3 Механические свойства: s в - Предел кратковременной прочности , [МПа] s T - Предел пропорциональности (предел текучести для остаточной де- формации), [МПа] d 5 - Относительное удлинение при разрыве , [ % ] y - Относительное сужение , [ % ] KCU - Ударная вязкость , [ кДж / м 2 ] HB - Твердость по Бринеллю , [МПа] Физические свойства : T - Температура, при которой получены данные свойства , [Град] E - Модуль упругости первого рода , [МПа] a - Коэффициент температурного (линейного) расширения (диапазон 20° - T ) , [1/Град] l - Коэффициент теплопроводности (теплоемкость материала) , [Вт/(м·град)] r - Плотность материала , [кг/м 3 ] C - Удельная теплоемкость материала (диапазон 20° - T ), [Дж/(кг·град)] R - Удельное электросопротивление, [Ом·м] Магнитные свойства : H c - Коэрцитивная сила (не более), [ А/м ] U max - Магнитная проницаемость (не более), [ МГн/м ] P 1.0/50 - Удельные потери (не более) при магнитной индукции 1.0 Тл и частоте 50 Гц, [ Вт/кг ] B 100 - Магнитная индукция Tл (не менее) в магнитных полях при напряжен- ности магнитного поля 100, [ А/м ] Свариваемость : без ограничений - сварка производится без подогрева и без последую- щей термообработки ограниченно свари- ваемая - сварка возможна при подогреве до 100-120 град. и по- следующей термообработке трудносвариваемая - для получения качественных сварных соединений требуются дополнительные операции: подогрев до 200- 300 град. при сварке, термообработка после сварки Механические свойства при Т=20 °С материала 30ХМА Сортамент Размер Напр. s в s T d 5 y KCU Термообр. - мм - МПа МПа % % кДж / м 2 - Пруток Ж 15 930 735 12 50 880 Закалка 880 °C, масло, От- пуск 540 °C, вода Твердость материала 30ХМА после отжига HB 10 -1 = 229 МПа Физические свойства материала 30ХМА T E 10 - 5 a 10 6 l r C R 10 9 Град МПа 1/Град Вт/(м·град) кг/м 3 Дж/(кг·град) Ом·м 20 2.08 7820 230 100 2.07 11.6 46 7800 462 200 2.04 12.5 44 7770 300 1.97 13.2 42 7740 400 1.88 13.8 42 7700 500 1.76 14.3 39 7660 T E 10 - 5 a 10 6 l r C R 10 9 Град МПа 1/Град Вт/(м·град) кг/м 3 Дж/(кг·град) Ом·м 600 1.6 37 700 36 800 32 Технологические свойства материала 30ХМА Свариваемость: ограниченно свариваемая Флокеночувствительность: чувствительна Склонность к отпускной хрупкости: не склонна Температура критических точек материала 30ХМА Ac 1 = 757, Ac 3 (Ac m ) = 807 2. Для обшивки летательных аппаратов использован сплав ВТ6. Приве- дите состав сплава, режим упрочняющей термической обработки и по- лучаемую структуру. Опишите процессы, протекающие при термиче- ской обработке, и преимущества сплава ВТ6 по сравнению с ВТ5. Класс: Титановый деформируемый сплав Использование в промышленности: штампосварные детали, длительно работающие при температуре 400-450° ; класс по структуре α+β Химический состав в % сплава ВТ6 Fe до 0,3 C до 0,1 Si до 0,15 V 3,5 - 5,3 N до 0,05 Ti 86,485 - 91,2 Al 5,3 - 6,8 Zr до 0,3 O до 0,2 H до 0,015 ВТ6 труба, лента, проволока, лист, круг ВТ6 Свойства: Термообработка: Закалка и старение Твердость материала: HB 10 -1 = 293 - 361 МПа Свариваемость материала: без ограничений. Механические свойства сплава ВТ6 при Т=20 o С Прокат Размер Напр. σ в (МПа) s T (МПа) δ 5 (%) ψ % KCU (кДж / м 2 ) Пруток 900-1100 8-20 20-45 400 Пруток 1100-1250 6 20 300 Штамповка 950-1100 10-13 35-60 400-800 Физические свойства сплава ВТ6 T (Град) E 10 - 5 (МПа) a 10 6 (1/Град) l (Вт/(м·град)) r (кг/м 3 ) C (Дж/(кг·град)) R 10 9 (Ом·м) 20 1.15 8.37 4430 1600 100 8.4 9.21 1820 200 8.7 10.88 0.586 2020 300 9 11.7 0.67 2120 400 10 12.56 0.712 2140 500 13.82 0.795 600 15.49 0.879 Особенности термообработки титана ВТ6 (и близких по составу ВТ14 и т.д.): термическая обработка является основным средством изменения струк- туры титановых сплавов и достижения комплекса механических свойств, не- обходимых при эксплуатации изделий. Обеспечивая высокую прочность при достаточной пластичности и вязкости, а также стабильность этих свойств в процессе эксплуатации, термическая обработка имеет не меньшее значение, чем легирование. Основными видами термической обработки титановых сплавов являются: отжиг, закалка и старение. Находят применение также термомеханические методы обработки. В зависимости от температурных условий отжиг титановых сплавов может сопровождаться фазовыми превращениями (отжиг с фазовой перекристалли- зацией в области выше а→в - превращения) и может протекать без фазовых превращений (например, рекристаллизационный отжиг ниже температур а→в-превращения). Рекристаллизационный отжиг титана и его сплавов при- водит к разупрочнению или устранению внутренних напряжений, что может сопровождаться изменением механических свойств. Легирующие добавки и примеси - газы существенно влияют на температуру рекристаллизации тита- на (рис. 1). Как видно из рисунка, температуру рекристаллизации в наиболь- шей степени повышают углерод, кислород, алюминий, бериллий, бор, рений и азот. Некоторые из элементов (хром, ванадий, железо, марганец, олово) действуют эффективно при введении их в относительно больших количе- ствах - не менее 3%. Неодинаковое влияние указанных элементов объясняет- ся разным характером их химического взаимодействия с титаном, различием в атомных радиусах и структурным состоянием сплавов. Отжиг особенно эффективен для структурно нестабильных, а также дефор- мированных титановых сплавов. Прочность двухфазных а+в-сплавов титана в отожженном состоянии не является простой суммой прочности а- и в-фаз, а зависит и от гетерогенности структуры. Максимальной прочностью в отожженном состоянии обладают сплавы с наиболее гетерогенной структу- рой, содержащие примерно одинаковое количество а- и в-фаз, что связано с измельчением микроструктуры. Отжиг позволяет улучшить пластические ха- рактеристики и технологические свойства сплавов (табл. 4). Неполный (низкий) отжиг применяют с целью устранения только внутренних напряжений, образовавшихся в результате сварки, механической обработки, листовой штамповки и др. Помимо рекристаллизации в сплавах титана могут происходить и другие превращения, которые приводят к изменению конечных структур. Важней- шими из них являются: а) мартенситное превращение в-твердого раствора; б) изотермическое превращение в-твердого раствора; в) эвтектоидное или перитектоидное превращение в-твердого раствора с об- разованием интерметаллидных фаз; г) изотермическое превращение нестабильного а-твердого раствора (напри- мер, а` в а+в). Упрочняющая термическая обработка возможна лишь при условии содержа- ния в сплаве в-стабилизирующих элементов. Она заключается в закалке сплава и последующем старении. Свойства титанового сплава, получаемые в результате термической обработки, зависят от состава и количества метаста- бильной в-фазы, сохраняющейся при закалке, а также типа, количества и распределения продуктов распада, образующихся в процессе старения. На стабильность в-фазы существенное влияние оказывают примеси внедрения - газы. По данным И. С. Полькина и О. В. Каспаровой азот снижает стабиль- ность в-фазы, изменяет кинетику распада и конечные свойства, повышает температуру рекристаллизации. Также действует кислород, однако азот ока- зывает более сильное влияние, чем кислород. Например, по влиянию на ки- нетику распада в-фазы в сплаве ВТ15 содержание 0,1% N2 эквивалентно 0,53% 0 2 , а 0,01% N 2 - 0,2% О 2 . Азот, как и кислород, подавляет процесс об- разования ω-фазы. М. А. Никаноровым и Г. П. Дыковой сделано предположение о том, что уве- личение содержания 0 2 интенсифицирует распад в-фазы благодаря его взаи- модействию с вакансиями закалки в-твердого раствора. Это, в свою очередь, создает условия для появления а-фазы. Водород стабилизирует в-фазу, увеличивает количество остаточной в-фазы в закаленных сплавах, повышает эффект старения сплавов, закаленных из в- области, понижает температуру нагрева под закалку, обеспечивающую мак- симальный эффект старения. В а + в- и в-сплавах водород влияет на интерметаллидный распад, приводит к образованию гидридов и потере пластичности в-фазы при старении. Водород в основном концентрируется в в-фазе. Ф. Л. Локшин, изучая фазовые превращения при закалке двухфазных титано- вых сплавов, получил зависимости структуры после закалки из в-области и концентрацией электронов. Сплавы ВТ6С, ВТ6, ВТ8, ВТЗ-1 и ВТ14 имеют среднюю концентрацию элек- тронов на атом 3,91-4,0. Эти сплавы после закалки из в-области имеют струк- туру а`. При концентрации электронов 4,03-4,07 после закалки фиксируется а"-фаза. Сплавы ВТ 15 и ВТ22 с концентрацией электронов 4,19 после закал- ки из в-области имеют структурув-фазы. Свойства закаленного сплава, а также процессы последующего упрочнения его при старении в значительной мере обусловливаются температурой закал- ки. При данной неизменной температуре старения с ростом температуры за- калки T зак в (а + в)-области повышается прочность сплава и падают его пла- стичность и вязкость. При переходе T зак в область в-фазы понижается проч- ность без повышения пластичности и вязкости. Это происходит вследствие роста зерен. С. Г. Федотов и др. на примере многокомпонентного а + в-сплава (7% Мо; 4% А1; 4% V; 0,6% Сr; 0,6% Fe) показали, что при закалке из в-области обра- зуется грубоигольчатая структура, сопровождающаяся понижением пластич- ности сплава. Чтобы избежать это явление, для двухфазных сплавов темпера- туру закалки принимают в пределах области а + в-фаз. Во многих случаях эти температуры находятся на границе или вблизи перехода а + в→в. Важной характеристикой титановых сплавов является их прокаливаемость. С. Г. Глазуновым определены количественные характеристики прокаливае- мости ряда титановых сплавов. Например, плиты из сплавов ВТЗ-1, ВТ8, ВТ6 прокаливаются насквозь при толщине до 45 мм, а плиты из сплавов ВТ14 и ВТ16 - при толщине до 60 мм; листы из сплава ВТ15 прокаливаются при лю- бой толщине. В последние годы исследователями выполнены работы по изысканию опти- мальных практических методов и режимов упрочняющей термической обра- ботки промышленных титановых сплавов. Установлено, что после закалки двухфазных сплавов ВТ6, ВТ14, ВТ16 предел прочности и предел текучести их понижаются. Близкую к ним прочность имеет после закалки и сплав ВТ15 (σ в =90-100 кгс/мм 2 ). 3. Опишите антифрикционные пластмассовые материалы. Укажите их свойства и область применения в машиностроении. Для снижения трения в подвижных узлах любого оборудования требу- ется их своевременное смазывание. Выбор вида и способа смазки произво- дится с учетом конструкции и условий эксплуатации пары трения. Механизм действия традиционных жидких и пластичных смазочных материалов состоит в образовании разделительной смазочной пленки между движущимися поверхностями при определенном сочетании нагрузки и ско- рости, необходимом для установления гидродинамического или полужид- костного режима трения. Однако реальные условия работы механизмов далеки от идеальных. Некоторые из механизмов (например, оборудование кирпичного производ- ства) предназначены для постоянной эксплуатации в пыльной среде под воз- действием высоких температур, нагрузок. Узлы большинства машин и обо- рудования в отдельные моменты времени или в течение всей эксплуатации также работают в режиме, при котором происходят локальные нарушения смазочной пленки, приводящие к повышенному трению, изнашиванию и об- разованию задиров. В таком режиме находятся не только тяжелонагружен- ные тихоходные узлы, но и все механизмы в моменты пуска, останова, ревер- сирования движения и в процессе приработки. Наиболее очевидным под- тверждением этого факта является износ, который сопровождает работу всех машин. В последние годы получил распространение новый вид смазочных ма- териалов – антифрикционные покрытия. Они существенно снижают износ, значительно повышают надежность работы и ресурс узлов и механизмов. Связующие элементы обеспечивают адгезию к субстрату, химическую стойкость и защиту от коррозии. В качестве связующих используют эпок- сидные смолы, титанаты, полиуретаны, акриловые, фенольные, полиамид- имидные и специальные компоненты. При использовании органических связующих элементов термостой- кость антифрикционных покрытий достигает +250 °С, а неорганические си- стемы позволяют покрытиям работать при экстремально высоких темпера- турах - вплоть до +600 °С. Растворители предназначены для переноса и распределения твердых смазок и связующих на субстрате, а также для обеспечения нужной вязко- сти антифрикционного покрытия путем разбавления перед нанесением. Для улучшения необходимых свойств, а также для модификации и придания антифрикционным покрытиям новых свойств в них добавляют присадки. Антифрикционные покрытия наносятся на поверхность с помощью обычных технологий окрашивания, таких как распыление, трафаретная пе- чать, окунание, нанесение кистью. После нанесения покрытия и сушки рас- творитель испаряется, а связующие вещества полимеризуются и обеспечива- ют надежное сцепление с основой. Выбор конкретного способа нанесе- ния антифрикционных покрытий зависит от геометрии покрываемых деталей и желаемого результата с точки зрения равномерности и долговечности по- крытий. При нанесении покрытия на одну из деталей пары трения в процессе работы происходит частичный перенос твердых смазок на сопряженную по- верхность. Таким образом, в процессе трения под нагрузкой формируются плотные и очень гладкие антифрикционные пленки, закрывающие неровно- сти материала основы. В результате при работе пары трения скорость изна- шивания покрытия сводится к минимуму. Эти процессы иллюстрирует фотография, полученная с помощью ска- нирующего электронного микроскопа при увеличении 1000 раз. На левой ча- сти показано покрытие сразу после отверждения, а на правой – после прира- ботки и формирования гладкой пленки из твердых смазок. Преимущества антифрикционных покрытий перед другими видами смазочных материалов Применение антифрикционных покрытий на сегодняшний день являет- ся самым перспективным способом решения многих проблем, связанных с потерями на трение в движущихся узлах. В отличие от сухих смазок в виде натертых пленок частицы твердых веществ антифрикционных покрытий прочно удерживаются на поверхности с помощью связующего компонента. По сравнению с применением традиционных смазочных материалов – пластичных и жидких смазок – антифрикционные покрытия имеют ряд пре- имуществ. После нанесения антифрикционного покрытия образовавшаяся тонкая сухая смазочная пленка предотвращает налипание абразивной пыли и грязи на поверхность. Благодаря тому, что твердые смазочные вещества удерживаются на по- верхности связующими, антифрикционные покрытия в большинстве случаев обеспечивают смазку на весь срок службы. Сухие смазки в составе АФП об- ладают исключительной термической стабильностью и химической инертно- стью, стойкостью к окислению и влаге. Они не стареют и не испаряются, способны эффективно работать в условиях радиации и вакуума даже после продолжительного простоя узла. Толщина покрытия легко контролируется и может составлять от 5 до 20 мкм, что практически не влияет на исходную точность размеров детали. Возможно локальное нанесение антифрикционных покрытий на определен- ные участки поверхности. Обладая высокими противоизносными и антикор- розионными свойствами, АФП могут заменить хромирование, цинкование и другие виды обработки. Сравнение основных видов твердых смазок Результаты испытаний антифрикционных покрытий Molykote показали их способность снижать трение до минимальных значений. Сравнение некоторых свойств сухих смазок приведено в таблице 1. Таблица 1. Основные виды твердых смазок и их свойства Свойства Дисульфид молибдена Графит ПТФЭ (те- флон) Минимальный коэффициент трения 0,002 0,05 0,03 Несущая спо- собность, отн.ед. 100 50 6 Теплопровод- ность низкая средняя очень низкая Электропровод- ность низкая высокая очень низкая Максимальная рабочая темпе- ратура на воз- духе, °С +450 +600 +260 Максимальная рабочая темпе- ратура в вакуу- ме, °С +1100 не использу- ется зависит от прочих условий Адгезия к ме- таллам высокая средняя низкая Химическая стойкость высокая высокая очень высо- кая Влияние влаги на эксплуатацион- отрицательно положительно не влияет ные свойства Цвет темно-серый черный белый или прозрачный Структура мо- лекул Существенным недостатком графита, ограничивающим сферу его при- менения по сравнению с дисульфидом молибдена, является его недостаточ- ная адгезия к металлическим поверхностям. Его молекулы неполярны и про- являют смазочные свойства лишь в присутствии влаги. Этот недостаток можно устранить путем внедрения в слоистую струк- туру графита поляризующих агентов. Высокая адгезия поляризованного гра- фита к металлическим поверхностям, наряду с термической стабильностью, делают его одним из наиболее перспективных инновационных смазочных материалов. Первым поляризованный графит начал применять концерн DOW (Dow Corning) при разработке составов новых смазок. Сегодня эстафету подхвати- ла компания "Моделирование и инжиниринг", создавшая уникальную линей- ку АФП. Типичные применения АФП Molykote и MODENGY Линейка продуктов Molykote включает антифрикционные покрытия на основе различных видов твердых смазок, в том числе дисульфида молибдена, графита, политетрафторэтилена (тефлона), а также специальных композиций. Связующее вещество в составе покрытия определяет его защитные свойства, химическую стойкость, а также тип отверждения (температуру по- лимеризации). Выбор конкретного материала производится с учетом конструк- ции узла трения, условий его работы и желаемого способа нанесения. Антифрикционные покрытия Molykote и MODENGY способны рабо- тать в широком температурном диапазоне, что позволяет предлагать решения для самых различных, в том числе экстремальных условий. Таблица 2. Примеры применения антифрикционных покры- тий Molykote и MODENGY Описание антифрикционного покрытия Тип отвер- ждения, цвет Применение Molykote 106 (-70…+250 °С) Сухая смазка на основе ди- сульфида молибдена и гра- фита с эпоксидным связую- щим, с повышенной несущей спо- собностью. при нагреве, темно-серый - сильно нагружен- ные пары трения с умеренными скоро- стями или колеба- тельным режимом движения; - замки, петли, шар- ниры, якори магнето; - детали двигателей и редукторов; - лыжные крепления Molykote 3400A (-200 …+430 °С) Антифрикционное покры- тие - сухая смазка серого цве- та на основе дисульфида мо- либдена и графита с эпоксид- ным связующим, для высоких нагрузок при нагреве, серый - оси шарниров, подшипники сколь- жения, кулачки, шпоночные канавки, зубчатые соедине- ния; - штифты, пружины и направляющие по- верхности тормозов автомобилей, дви- жущиеся части зам- ков, переключателей и регуляторов; - специальные цепи; - магнитная арматура Molykote 3400A Leadfree (-200 …+430 °С) Антифрикционное покры- тие - дисульфидмолибдено- вая сухая смазка с эпоксид- ным связующим, не содер- жащая свинца, для высоких нагрузок. при нагреве, серый - шпильки, пружины, шлицы, направляю- щие, резьбовые со- единения и крепеж- ные детали, движу- щиеся части в зам- ках, зубчатые, чер- вячные и цепные пе- редаточные механиз- мы; - направляющие по- верхности в тормозах автомобилей, петли дверей кузова, ры- чажные механизмы, переключатели, ме- ханизмы управления, оси шарниров, под- шипники скольжения и кулачки; |