Химико-термическая обработка металлов и сплавов. Сборник вопросов и задач к контрольным мероприятиям

Контрольная работа 2

Вариант 1

1.Изучая рентгенографически распределение углерода в поверхностном слое стали 18ХГТ после цементации, закалки и низкого отпуска, установили, что концентрация углерода в мартенсите в приповерхностных(до 0,1 мм) зонах ниже, чем в более глубоких зонах слоя.

Чем объясняется такое явление? Почему при аналогичной обработке стали 15 такого явления не наблюдают?

2.В чем причина получения высокой твердости поверхностных зон при диффузионном хромировании средне- и высокоуглеродистой стали?

Вариант 2

1.Изобразите графически распределение количества остаточного аустенита в % по глубине цементованного слоя после закалки для стали марок 20 и 12Х2Н4А. Объясните наблюдаемые различия.

2.Какова основная особенность строения силицированных слоев на стали, содержащих 14 – 18 % Si?

Вариант 3

1.В поверхностном слое цементованного и термически обработанного зубчатого колеса из Cr – Ni-й стали наблюдается слишком высокое (~ 60 %) содержание остаточного аустенита.

1.1.Каковы нежелательные последствия такого дефекта?

1.2.Каковы причины его появления?

1.3. Какие методы вы можете предложить для устранения или недопущения этого дефекта?

2.Какие типы слоев формируются на поверхности стали при

еенасыщении титаном? Каков их фазовый состав и строение?

Вариант 4

1.Изобразите графически зависимость толщины хромированного слоя (δ) от содержания углерода в стали (% С). Объясните характер этой зависимости.

2.Почему легирование стали Ni уменьшает толщину хромированного слоя, а легирование Al – увеличивает?

31

Вариант 5

1. Желая увеличить толщину γ'-фазы в азотированном слое малоуглеродистой стали, повысили температуру азотирования с 550 °С до 650 °С. Результат оказался прямо противоположным – толщина зоны γ'-фазы уменьшилась. Чем объяснить наблюдаемое явление, если учесть, что DN→γ с повышением температуры азотирования вырос в 5 раз?

2. После силицирования изделия малого сечения (< 1 мм) из стали 20 в его сердцевине с помощью металлографического анализа установили повышенное (более 0,8 %) содержание углерода. В чем причина наблюдаемого явления? Откуда появился углерод?

Вариант 6

1.В поверхностной зоне цементованного зубчатого колеса из Cr – Mn-й стали обнаружена карбидная сетка.

1.1.Каковы последствия такого дефекта?

1.2.Объясните возможные причины его появления.

1.3. Каким способом можно устранить этот дефект или не допустить его появления?

2.Что является причиной появления трооститной сетки в поверхностных зонах легированной стали после цементации и закалки?

Вариант 7

1.Используя диаграмму фазового равновесия Fe – Fe3C и зная, что процесс цементации проводился при температуре 930 °С, нарисуйте схему изменения структуры стали от поверхности к сердцевине после охлаждения деталей на воздухе. Исходное содержание углерода в стали было 0,2 %. Содержание углерода в поверхностном слое после цементации стало равным 1,0 %.

2.Что делать, если при газовой цементации на поверхности детали образуется слой сажи? В чем причина этого явления?

Вариант 8

1. Будет ли достигнута непосредственно после цементации высокая износостойкость детали? Если будет, объясните, почему? Если нет, то для чего тогда применялась цементация? Объясните причину Вашего решения.

32

2. Что произойдет, если при цементации в твердом карбюризаторе из контейнера предварительно удалить остаточный воздух или заменить его нейтральным газом? Процесс цементации ускорится или замедлится? Почему?

Вариант 9

1.Ответственное изделие было изготовлено из природнокрупнозернистой углеродистой стали с 0,15 % С. Цементация проводилась при 950 °С, содержание углерода в поверхностном слое стало равным 0,9 %. Предложите режим термической обработки, обеспечивающий оптимальные свойства изделия.

2.Что следует предпринять, если при газовой цементации на поверхности деталей наблюдается слой сажи? В чем причина этого явления? Что следует предпринять для его устранения?

Вариант 10

1.Какой тип превращения реализуется в сплавах железа с азотом при температуре 590 °С?

2.Почему повышение температуры азотирования в пределах

от 550 °С до 650 °С приводит к уменьшению толщины слоя γ'-фазы?

Вариант 11

1. Для изделий с повышенными требованиями к геометрическим размерам необходима очень высокая твердость поверхности (выше HV 1000). Каким из предложенных ниже способов можно решить поставленную задачу? Обоснуйте выбор.

1.1. Использовать малоуглеродистую хромоникелевую сталь и подвергнуть изделие цементации, закалке, обработке холодом и низкому отпуску.

1.2. Использовать сталь 38ХМЮА и подвергнуть изделие азотированию при 550…600 °С.

2. От чего зависит толщина зон отдельных фаз в многофазной диффузионной зоне?

Вариант 12

1. На заводе решено использовать природно-мелкозернистую сталь 18ХГТ для изготовления шестерен коробки передач легковых

33

автомобилей. Какой обработке нужно подвергать шестерни, чтобы получить поверхностную твердость выше HRC 60?

2. Что принимают за эффективную толщину диффузионного слоя при химико-термической обработке?

Вариант 13

1. Диффузионное хромирование стали 08КП в порошковой среде (49 % FeCr, 49 % Al2O3, 2 % NH4Cl) при Т = 1050 °С в течение 4-

х часов привело к образованию диффузионного слоя толщиной 0,3 мм. Добавив в порошковую среду 15 % (от общей массы) FeAl, удалось сократить длительность хромирования до 2-х часов с полу-

чением той же толщины слоя. Объясните полученный результат.

2. Как влияет концентрация элемента на поверхности (Сп) на толщину диффузионного слоя?

Вариант 14

1.В чем принципиальное отличие диффузионной металлизации от цементации и азотирования? Как это отличие должно отразиться на технологии проведения процесса металлизации?

2.После алитирования изделия малого сечения (< 1 мм) из стали 20 в результате металлографического анализа установлено повышенное (более 0,8 %) содержание углерода в сердцевине. В чем причина этого явления? Откуда появился углерод?

Вариант 15

1.Какой из предложенных ниже способов обработки рационально использовать для повышения окалиностойкости чугунных колосников топок котлов?

1.1.Газовое азотирование.

1.2.Алитирование в жидкой ванне.

2.Какие характеристики материала могут служить базовым параметром при оценке эффективной толщины диффузного слоя?

Вариант 16

1. Для изделия сложной формы требуется поверхностная твердость выше HRC 67. Какой из приведенных ниже методов обработки рационально использовать для решения поставленной задачи? Обоснуйте выбор.

34

1.1.Поверхностная закалка.

1.2.Азотирование.

2. Почему в бинарной системе образование двухфазных областей диффузионным путем невозможно?

Вариант 17

1.Иглы форсунок жидкого топлива должны иметь очень точные размеры и высокую износостойкость. Какой материал и какую обработку для них рационально использовать?

2.После диффузионного хромирования изделия малого сечения (< 2 мм) из стали 45 в результате металлографического анализа установлено в сердцевине содержание углерода не более 0,2 %. По какой причине произошло уменьшение концентрации углерода в сердцевине? Почему?

35

2. ДОМАШНИЕ ЗАДАНИЯ

Задание 1

Многие измерительные инструменты плоской формы (шаблоны, линейки, штангенциркули и др.) Изготавливают из листовой стали. Инструменты должны обладать высокой износостойкостью рабочих поверхностей.

Предложите метод и режим обработки, обеспечивающей получение этих свойств, если инструменты изготавливают большими партиями из сталей 15 и 20.

Задание 2

Поршневые пальцы 30 мм и длиной 50 мм должны иметь по условиям эксплуатации вязкую сердцевину и твердую поверхность, хорошо сопротивляющуюся износу (HRC 58…62). Укажите метод и режим обработки, обеспечивающие получение требуемых свойств, если пальцы изготавливают крупными партиями из сталей марок 20 и 45. Сравните продолжительность операций обработки в обоих случаях для получения поверхностного твердого слоя толщиной 0,8…1,00 мм. Опишите структуру и свойства поверхностных зон и сердцевины после применения выбранных методов обработки.

Задание 3

Имеется вал из стали 38Х2МЮА. Требуется повысить твердость поверхности и предел усталости. Предложите вид ХТО, обоснуйте режимы, опишитепричиныувеличения уровнятребуемых свойств.

Задание 4

Крыльчатка насоса для перекачки морской воды, изготовленная из стали 20, быстро разрушается под действием этой агрессивной среды. Предложите вид и режим ХТО, повышающей коррозионную стойкость и работоспособность детали. Обоснуйте выбор.

36

Задание 5

Стаканы цилиндров двигателей внутреннего сгорания с толщиной стенки 40 мм должны обладать высоким сопротивлением износу на поверхности; на заводе эти детали изготавливали из стали 20 с последующими цементацией и термической обработкой. В дальнейшем завод начал изготавливать цилиндры более ответственного назначения с повышенной износостойкостью и твердостью на поверхности не ниже HV 950…1000. Эту твердость сталь должна сохранять при нагреве до 300…400 °С. Укажите марку стали, которую необходимо выбрать для этой цели, и изменения, которые следует внести в связи с этим в технологический процесс термической и химико-термической обработки. Сравните оба процесса по последовательности и продолжительности операций, а также механические свойства и твердость на поверхности и в сердцевине, получаемые в результате изменения химического состава стали и применения каждого из этих процессов.

Задание 6

Изделие с тонкими кромками (~ 0,5 мм), изготовленное из стали 50 (термическая обработка – улучшение) работает в условиях абразивного изнашивания. Предложите вид ХТО для повышения стойкости против износа, обоснуйте выбор режимов и объясните причины изменения свойств.

Задание 7

Палец шарнира 30 мм работает на изгиб, срез и должен обладать повышенной износостойкостью на поверхности и высокой вязкостью сердцевины. Выберите марку стали, для его изготовления рекомендуйте и обоснуйте режим обработки. Опишите структуру поверхностных зон и сердцевины.

Рассмотрите варианты обработки, исходя из необходимости получения упрочненного слоя:

1.1.Толщиной 0,3 мм;

1.2.Толщиной 1,0 мм;

1.3.Толщиной 2,5 – 3,0 мм;

1.4.Толщиной 4,0 – 5,0 мм.

37

Задание 8

Пресс-форма для горячего прессования порошков изготовленная из стали 3Х2В8 разогревается в процессе работы до 600…700 °С. Предложите вид ХТО, позволяющий сохранить поверхностную твердость до этих температур, обоснуйте выбор режимов обработки.

Задание 9

Вал из стали 45 работает в условиях абразивного износа. Предложите вид ХТО, приводящий к повышению стойкости против абразивного износа, обоснуйте выбор режимов обработки, опишите фазовый состав и структуру слоев, объясните причины повышения уровня свойств.

Задание 10

Имеется вал из стали 20. Требуется повысить твердость 2-х посадочных мест под подшипники до значений HRC 60…62. Предложите вид и метод ХТО, обоснуйте выбор режимов, объясните причины повышения уровня свойств.

Задание 11

Имеется шестерня из стали 12ХНЗА. Предложите вид, метод, режимы ХТО и термической обработки для повышения поверхностной твердости до HRC 60…62. Обоснуйте выбор режимов, объясните причину повышения уровня свойств.

Задание 12

Вал из стали 30Х13 работает в 10 %-ном растворе HNO3. Предложите вид ХТО, позволяющий заменить эту сталь на углеродистую, обоснуйте выбор. Опишите режимыобработки, составы сред.

Задание 13

Трубы из стали Х5М работают в воздушной среде при температуре 750 °С. Предложите вид ХТО, приводящий к увеличению срока службы труб, опишите метод ХТО, выберите среду и режимы обработки. Объясните причины повышения уровня свойств.

38

Задание 14

Крепежные детали (болты) из нержавеющей стали 12Х18Н10Т работают при температуре ~ 600 °С. Предложите вид ХТО, снижающий "схватываемость" крепежа и облегчающий сборку и разборку конструкции. Опишите режимы обработки. Объясните причины изменения свойств материала.

Задание 15

Имеются сверла из стали Р18. Требуется повысить стойкость этого инструмента. Предложите вид ХТО, опишите способ обработки, обоснуйте режимы, опишите свойства и дайте объяснение причин повышения стойкости инструмента.

Задание 16

Детали гидронасосов (клапаны и др.) изготавливали из стали 40Х. Однако в дальнейшем в новых, более мощных насосах скорость потока жидкости резко возросла и в перекачиваемой среде появились абразивные частицы (песок и др.), при этом поверхность клапанов быстро разрушалась. Предложите способ поверхностной обработки этих деталей, позволяющий увеличить ресурс работы насоса; рассмотрите альтернативные варианты обработки. Учтите, что допустимый износ указанных деталей составляет ~ 0,1…0,15 мм.

Задание 17

Вал из стали 45 работает в условиях абразивного износа. Допустимая величина износа ~ 0,2 мм. Предложите вид поверхностного упрочнения, являющийся наиболее целесообразным в этих условиях и приводящий к повышению стойкости против абразивного износа. Обоснуйте выбор, опишите режимы обработки, фазовый состав и структуру поверхностных зон, объясните причины повышения износостойкости.

Задание 18

Стаканы цилиндров мощных моторов должны иметь особо повышенную износостойкость рабочей поверхности и высокую твердость HV 950…1000, сохраняющуюся при разогреве стакана до 300 – 400 °С. Кроме того, предел текучести стали должен быть не

39

менее 750 МПа. Выберите марку стали, метод и режим обработки для получения указанных свойств. Обоснуйте выбор. Сопоставьте последовательность операций и их продолжительность, структуру и свойства поверхностных зон и сердцевины при выбранном Вами варианте обработки с процессом цементации стали.

Задание 19

Цех изготавливает валы из стали 45 диаметром 50 мм и длиной 700 мм, по условиям эксплуатации на предварительно улучшенном вале должны быть две зоны шириной 30 мм с твердостью ~ HRC 58. Это два посадочных места под подшипники. Предложите вид и режим поверхностного локального упрочнения детали, обоснуйте выбор режимов и объясните причины повышения твердости и износостойкости. Учтите, что глубинаупрочнениядолжна бытьне менее1,0…1,5 мм.

Задание 20

Имеется вал из стали 18ХГТ. Требуется повысить твердость 2-х посадочных мест под подшипники до значений HRC 60…62. Предложите вид и метод поверхностного упрочнения, обоснуйте выбор режимов обработки, опишите структуру поверхностных зон и сердцевины. Объясните причины повышения уровня свойств. Какой вид дополнительной обработки Вы могли бы предложить для повышения предела усталости данной детали? Почему именно этот вид?

Задание 21

Крыльчатка грязевого насоса изготавливается из литой стали 35Л. Ее стойкость весьма низкая (не более 300 часов). Предложите вид, метод и способ существенного повышения стойкости этой детали против абразивного износа с учетом того, что допустимая величина износа составляет 3…5 мм. Опишите режимы обработки, химический состав, структуру поверхностных зон. Объясните причины повышения износостойкости. Одновременно предусмотрите возможность реставрации изношенных деталей, обоснуйте ваши предложения.

Задание 22

Стойкость сверл и фрез, изготовленных из быстрорежущей стали Р12, при обработке конструкционных сталей с твердостью НВ 180…200 была удовлетворительной. Однако стойкость этих ин-

40