Контрольная работа по "Технологии"

Вариант 40

1. Пружина из стали 65 после правильно выполненной закалки и последующего отпуска имеет твердость значительно ниже, чем это тре­буется по техническим условиям. Чем вызван этот дефект и как можно его исправить? Укажите, какая твердость и структура обеспечивают уп­ругие свойства пружин.

2. Для изготовления штампов горячей штамповки выбрана сталь 4ХЗВМФ. 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.

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

4. Опишите тугоплавкие металлы и сплавы на их основе. Приведите общую характеристику этих сплавов и укажите область их применения.

5. Приведите классификацию технической керамики по составу и укажите область ее применения в машиностроении.

Вопрос 1

   Дефект вызван завышенной температурой отпуска, что привело к получению структуры сорбита отпуска. Основным требованием, предъявляемым к рессорно-пружинным сталям, является высокий предел упругости и выносливости. Специфическим в термической обработке рессорных листов и пружин является применение закалки и среднего отпуска при температуре 400 – 500С (в зависимости от стали). Это необходимо для получения структуры троостита   отпуска (с твердостью HRC42 – 48), обеспечивающего наиболее высокий предел упругости.

Закалка не является окончательной термической обработкой. Чтобы уменьшить хрупкость и напряжения, вызванные закалкой, и получить требуе­мые механические свойства, сталь после закалки подвергают отпуску.

Термическая обработка, заключающаяся в нагреве закаленной стали, соответствующем температуре ниже точки АС1, называется отпуском стали.

Отпуск является окончательной операцией термической обработки. В результате отпуска сталь получает требуемые механи­ческие свойства. Кроме того, отпуск полностью или частично устра­няет внутренние напряжения, возникающие при закалке. Эти напря­жения снимаются тем полнее, чем выше температура отпуска. Температура отпуска оказывает значительное влияние на полу­чаемые свойства. Различают поэтому следующие три вида отпуска.

Низкотемпературный (низкий) отпуск. Температура нагрева – 150 – 200°С, выдержка – 1 – 1,5 ч. Снижается внутреннее напряжение. Мартенсит закалки переходит в мартенсит отпуска. Этот отпуск обеспечивает максимальную твердость стали и некоторое повы­шение прочности и вязкости. Твердость (HRC60 – 64) зависит от содержания углерода в стали. Низкому отпуску подвергают режущий и измерительный инструмент из углеродистых и низколегированных сталей, а также детали после поверхностной закалки или химико-термической обработки.

Среднетемпературный (средний) отпуск. Температура нагрева – 350 – 500°С (чаще – 380 – 420°С), выдержка – от 1 – 2 до 3 – 8 ч. Значительно снижается внутреннее напряжение, мартенсит за­калки переходит в троостит отпуска. Твердость – HRC40 – 45. Обеспечивается наилучшее сочетание предела упругости с пределом выносливости. Этот отпуск проводят в основном для пружин, рессор, мембран и подобных деталей, а также для штампового инструмента. Охлаждение после отпуска рекомендуется проводить в воде, что способствует образованию на поверхно­сти изделий сжимающего остаточного напряжения, повышающего усталостную прочность.

Высокотемпературный (высокий) отпуск. Температура нагрева – 500 – 680°С, выдержка – от 1 до 8 ч. Полностью сни­мается внутреннее напряжение. Структура стали сорбит отпуска, твердость – HRC25 – 35. Создается наилучшее соотношение прочности, пластичности и вязкости стали. Термическую обработку, состоящую из закалки и высокого отпуска, на­зывают улучшением (термическим). Она проводится для деталей (в основном из среднеуглеродистых конструкционных сталей), которые должны обладать повышенной конструктивной прочностью. Сорбит отпуска и троостит отпуска отличаются от сорбита и троостита тем, что в этих структурах кристаллы цементита имеют не пластинчатую, а зернистую форму, что повышает пластичность и вязкость закаленной стали.

Для устранения дефекта необходимо выполнить термообработку заново, соблюдая термический режим. Сталь 65 содержит 0,65% С, является доэвтектоидной сталью. Температура нагрева под закалку 785…8150С, охлаждение в масле, отпуск при 400…4500С. Твердость HRC 42…46.

Вопрос 2

Стали для штампов горячего деформирования должны иметь высокие механические свойства, которые сохраняются при многократном нагреве, глубокую прокаливаемость и обладать стойкостью против разгара. Разгаростойкость – устойчивость стали против образования поверхностных трещин при многократном нагреве и охлаждении.

Сталь 4Х3ВМФ  - легированная штамповая сталь, содержащая 0,4 % углерода, 3% хрома,   вольфрама, молибдена и ванадия менее 1 %.

Закалка стали – основной упрочняющий способ термической обработки кон­струкционных и инструментальных сталей. Закалкой называется термическая операция, связанная с нагревом ста­ли выше температуры фазовых превращений, выдержкой и последующим быстрым охлаждением (в каком-либо охладителе). Цель закалки – придание стали высокой твердости и прочности путем об­разования неравновесных структур: мартенсита или бейнита (игольчатого троостита).

Основными технологическими свойствами при закалке стали являются закаливаемость и прокаливаемость. Закаливаемость – свойство стали приобре­тать высокую твердость в результате закалки. Прокаливаемость – свойство ста­ли воспринимать закалку на определенную глубину от поверхности.

Для легированных сталей, содержащих специальные карбиды, температура нагрева под закалку выбирается по справочнику в зависимости от состава стали и намного превышает критические точки.

Скорость охлаждения стали после нагрева и выдержки оказывает ре­шающее влияние на результат закалки. Режим охлаждения должен быть таким, чтобы не возникали большие напряжения, приводящие к короблению изделия и образованию закалочных трещин. Эти напряжения складываются из термиче­ских и структурных.

Для легированных сталей при закалке применяют минеральное масло. Оно не изменяет охлаждающей способности при нагреве (20 – 150°С), не обра­зует «паровой рубашки». Перепад температуры между поверхностью и цен­тром изделия при закалке в масле меньше, чем при охлаждении в воде, а следо­вательно, меньше термическое напряжение. Недостатками масла, как охладите­ля, при закалке являются образование пригара на поверхности изделия, потеря с течением времени закаливающей способности (загустевшее масло требует за­мены), легкая возгораемость.

Отпуск – операция термической обработки, связанная с нагревом зака­ленной стали ниже температуры фазовых превращений, выдержкой и охлаждением. Цель отпуска – снижение или снятие внутреннего напряжения, возник­шего при закалке стали, и получение структуры с заданными свойствами (проч­ностью, твердостью, упругостью, вязкостью и пластичностью).

Закалка и отпуск неразделимы. Отпуск необходимо проводить непосредственно после закалки, так как закалочное напряжение через некоторое время может вызвать появление трещин. Кроме того, остаточный аустенит стабилизируется, его устойчивость к отпуску повышается.

Температура отпуска – самый существенный фактор, который влияет на свойства закаленной стали. Твердость и прочность с повышением температуры отпуска снижаются, а пластичность и вязкость повышаются. 

В легированных сталях все процессы отпуска происходят, как правило, в области более высоких температур, так как легирующие элементы замедляют диффузионные процессы. 

Назначаем при твердости HВ400 следующий режим термообработки:

  Закалки от температуры 830…860 С, охлаждение в масле. Структура стали после закалки –  легированный мартенсит.  Твердость стали HRC 53…58. После закалки сталь подвергают   отпуску при температуре 400 С. Твердость стали НВ 400…450.

Вопрос 3

Сталь  ШХ15СГ – шарикоподшипниковая хромомарганцевокремнистая легированная сталь. Шарикоподшипниковые стали маркируются буквой «Ш». Химический состав 0,95 – 1,05 % углерода, хрома 1,3 – 1,65 %, кремния 0,4 – 0,65 %, марганца 0,9 – 1,2 %).. После закалки с 840 – 860С в масле и отпуска при 150 – 170С позволяет получить твердость HRC62 – 65. Используется Для более крупных подшипников. Структура сталей после термической обработки скрытокристаллический мартенсит с равномерным распределением мелких избыточных карбидов, обеспечивает высокую твердость, износостойкость и сопротивление контактной усталости.

Легированными называют стали, в состав которых специально вводятся химические элементы, называемые легирующими. К ним относятся: хром, никель, вольфрам, молибден, ванадий, титан и др.

Механические свойства никакой другой группы материалов не изменяются так сильно, путем добавления легирующих элементов и под воздействием процессов термообработки, как у сталей. Легированием стали (различными элементами в разных количествах) и применением термической обработки можно получить большую вязкость при одинаковой прочности по сравнению с углеродистой сталью, большую прочность и т. д.

Все легирующие элементы сдвигают точки диаграммы состояния как по температуре, так и по концентрации, образуя стали с ферритной, аустенитной, перлитной, карбидной структурами. Очень большое влияние легирующие элементы оказывают на режимы термической обработки сталей, изменяя температуры отжига, закалки и отпуска.

Легирующие элементы разделяются на карбидообразующие: хром, молибден, ванадий, вольфрам, титан и др., которые могут находиться в твердом растворе, а при значительных количествах образовывать специальные карбиды. Карбиды легирующих элементов обладают более высокой твердостью, чем карбид железа – цементит. Не карбидообразующие: никель, кобальт, алюминий, медь и др., которые растворяясь в феррите или аустените значительно влияют на их свойства. Так никель придает стали высокую прочность и пластичность, повышает ударную вязкость, увеличивает прокаливаемость, понижает порог хладноломкости, уменьшает коэффициент теплового линейного расширения. Его большое содержание в стали обеспечивает аустенитную структуру при всех  температурах.

Закалка стали – основной упрочняющий способ термической обработки кон­струкционных и инструментальных сталей. Закалкой называется термическая операция, связанная с нагревом ста­ли выше температуры фазовых превращений, выдержкой и последующим быстрым охлаждением (в каком-либо охладителе). Цель закалки – придание стали высокой твердости и прочности путем об­разования неравновесных структур: мартенсита или бейнита.

Основными технологическими свойствами при закалке стали являются закаливаемость и прокаливаемость. Закаливаемость – свойство стали приобре­тать высокую твердость в результате закалки. Прокаливаемость – свойство ста­ли воспринимать закалку на определенную глубину от поверхности.

Эвтектоидные и заэвтектоидные стали подвергают неполной закалке, т. е. нагревают до температуры на 30 – 50°С выше критической точки А1. Эта температура постоянная, и интервал ее значений будет 760 – 780°С.

Для легированных сталей, содержащих специальные карбиды, температура нагрева под закалку выбирается по справочнику в зависимости от состава стали и намного превышает критические точки.

Скорость охлаждения стали после нагрева и выдержки оказывает ре­шающее влияние на результат закалки. Режим охлаждения должен быть таким, чтобы не возникали большие напряжения, приводящие к короблению изделия и образованию закалочных трещин. Эти напряжения складываются из термиче­ских и структурных.

Для легированных сталей при закалке применяют минеральное масло. Оно не изменяет охлаждающей способности при нагреве (20 – 150°С), не обра­зует «паровой рубашки». Перепад температуры между поверхностью и цен­тром изделия при закалке в масле меньше, чем при охлаждении в воде, а следо­вательно, меньше термическое напряжение. Недостатками масла, как охладите­ля, при закалке являются образование пригара на поверхности изделия, потеря с течением времени закаливающей способности (загустевшее масло требует за­мены), легкая возгораемость.

Отпуск – операция термической обработки, связанная с нагревом зака­ленной стали ниже температуры фазовых превращений, выдержкой и охлаждением. Цель отпуска – снижение или снятие внутреннего напряжения, возник­шего при закалке стали, и получение структуры с заданными свойствами (проч­ностью, твердостью, упругостью, вязкостью и пластичностью).

Твердость и прочность с повышением температуры отпуска снижаются, а пластичность и вязкость повышаются.  В легированных сталях все процессы отпуска происходят, как правило, в области более высоких температур, так как легирующие элементы замедляют диффузионные процессы. 

Назначаем при твердости HRC 61 следующий режим термообработки:  закалка с Т = 780…8000С  с охлаждением в масле, отпуск при Т= 170…200◦С.

Вопрос 4

Тугоплавкие    металлы  – это   металлы ,  которые  могут  работать  при  температурах  свыше  1000°С.  К  ним  относят: W, Ta, Mo, Nb, Cr. Тугоплавкие    металлы   разделяют  на  две  подгруппы:

Подгруппа  V  : Nb, Ta, V ;

Подгруппа  Cr : W, Mo, Cr.

Таблица 1 Тугоплавкие металлы