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

4. ВАРИАНТЫ ЗАДАНИЙ ДЛЯ ПИСЬМЕННОГО ЗАЧЕТА*

Задание 1

1.Процесс газовой цементации стали 20 при Сатм = 0,9 продолжается 8 часов. Рассчитать длительность цементации, если пер-

вый этап цементации проводится при Сатм = 1,3; второй – при Сатм = 0,9. Глубина слоя составляет 1,2 мм.

2.Выберите и обоснуйте выбор активаторов для газового хромирования и алитирования стали способом порошков.

3.Укажите последовательность образования фаз в слое при азотировании железа при температуре 400…590 °С; 680…910 °С; 910 °С и выше.

4.Перечислите процессы ХТО, приводящие к повышению твердости и износоустойчивости стали. Объясните причины повышения этих свойств после того или иного вида ХТО.

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

Задание 2

1.Зная х и τ, а также С(х,τ) и Т, подсчитайте значение коэффициента диффузии углерода в аустените, считая, что при τ > 0 и

х= 0, Cпов = Cпред (см. [1], рис. 206).

2.Опишите процессы, протекающие в ванне при электролиз-

ном борировании стали.

3.Опишите и объясните суть фазовых превращений в азотированном слое при охлаждении.

4.Объясните, как и по какой причине меняется содержание остаточного аустенита по глубине цементованного и нитроцементованного закаленного слоя.

*В случае отмены письменного зачета приведенные ниже вопросы и задачи могут быть использованы для обсуждения на семинарах и выдаваться студентам в качестве дополнительных при выполнении контрольных работ.

71

5. Изделие из стали 20 (крыльчатка насоса) работает в условиях воздействия морской воды. Предложите вид ХТО, повышающий коррозионную стойкость изделия, опишите способ, обоснуйте режимы обработки. Объясните причины повышения стойкости.

Задание 3

1.Зная Диτ, подсчитайте значения хприцементации стали20.

2.Опишите процессы, протекающие в ванне при цианировании стали.

3.Зарисуйте и опишите структуру диффузионной зоны при различных методах алитирования стали. Объясните причины, вызывающие разницу в строении диффузионных слоев.

4.Объясните причины, вызывающие снижение усталостной прочности стали после цементации в атмосферах на базе эндогаза. перечислите меры борьбы с этим явлением.

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

Задание 4

1. Имеется алитированный слой толщиной 0,2 мм с

Cпов ~ 30 % атм. на стали 20. Рассчитать время, за которое Cпов понизится до 10 % при температуре1000 °С.

2. Приведите примеры реакций диспропорционирования при

ХТО.

3.Опишите структуру диффузионной зоны после "мягкого азотирования" стали 40Х.

4.Объясните причины повышения коррозионной стойкости стали после диффузионного хромирования.

5.Пресс-форма для горячего прессования порошков разогревается в процессе работы до 650…700 °С. Предложите вид ХТО, позволяющий сохранить поверхностную твердость до этих температур

иповысить стойкость изделия. Выберите способ обработки, обоснуйте режимы.

Задание 5

1. Зная зависимость Д = f(T), подсчитайте значение энергии активации диффузии углерода и хрома в аустените.

72

2.Опишите процессы, протекающие в контейнере при хромировании стали способом порошков.

3.Опишите строение и фазовый состав слоя после антикоррозионного азотирования стали.

4.Перечислите процессы ХТО, приводящие к повышению усталостной прочности стали. Объясните причины повышения уровня свойств.

5.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 режимы, объясните причины повышения уровня свойств.

Задание 6

1.Подсчитайте толщину зон α-, γ- и ξ-фаз при азотировании железа при 800 °С в течении 48-ми часов.

2.Опишите химизм газового хромирования стали.

3.Обоснуйте режимы химико-термической и термической обработки стали 12ХН3А.

4.Перечислите процессы ХТО, приводящие к повышению окалиностойкости стали. Объясните причины повышения уровня свойств.

5.Вал из стали 45 работает в условиях абразивного изнашивания. Предложите вид ХТО, приводящий к повышению стойкости против абразивного износа, обоснуйте режимы, опишите фазовый состав и структуру слоев, объясните причины повышенияуровня свойств.

Задание 7

1.Зная распределение С = f(x,τ), определите коэффициент перехода углерода β и Д для процесса цементации при температуре

900, 950 и 1000 °С (см. [10], рис. 63).

2.Приведите примеры использования реакций обмена и восстановления в процессах ХТО.

3.Опишите структуру и фазовый состав слоя при хромировании стали с 0,1 и 1,0 % С.

4.Опишите наиболее распространенные процессы ХТО, приводящие к увеличению стойкости стали против атмосферной коррозии. Объясните причину повышения уровня свойств.

5.Имеется шестерня из стали 12ХН3А. Предложите метод химико-термической и термической обработки для повышения по-

73

верхностной твердости. Обоснуйте режимы, объясните повышение уровня свойств.

Задание 8

1.Зная распределение С = f(x,τ), рассчитайте h для значений скорости газовой среды 2, 5, 10 и 20 л/мин. Остальные данные см. в [10], рис. 64.

2.Выберите активатор для процесса цементации в твердом карбюризаторе. Обоснуйте выбор.

3.Приведите примеры перераспределения углерода в поверхностной зоне при насыщении стали различными элементами. Объясните причины этого явления. Объясните возможное влияние этого перераспределения на свойства стали.

4.Какие виды ХТО приводят к одновременному повышению поверхностной твердости и окалиностойкости стали. Объясните причины, вызывающие повышение этих свойств.

5.Изделия (трубы) из стали Х5М работают в воздушной атмосфере при температуре 750 °С. Предложите вид ХТО, приводящий

кувеличению срока службы труб, опишите метод ХТО, выберите среду и режим. Объясните причины повышения уровня свойств.

Задание 9

1.Составьте математическую модель процесса газовой цементации. Объясните, какие задачи при этом могут быть решены; приведите пример решения одной из них.

2.Опишите и объясните процессы, протекающие в реакторе при азотировании в "тлеющем разряде".

3.Проанализируйте структуры борированного слоя на стали при различных методах борирования; объясните имеющуюся разницу.

4.Опишите каким видам ХТО и с какой целью подвергают Ti

иего сплавы.

5.Предложите способ ХТО, повышающий стойкость конструкции из стали (ст. 1) против атмосферной коррозии. Обоснуйте выбор, опишите приемы ХТО, свойства материала.

74

Задание 10

1.Зная х и τ для диффузионного хромирования железа, подсчитайте Д; Распределение элемента С = f(x,τ) и значение температу-

ры Т см. в [20], рис. 9.

2.Используя диаграмму Неймана (см. [11, рис. 34]) определите следующие величины.

2.1.До какого предельного содержания сталь будет насыщаться углеродом при К = 60.

2.2.При каких температурах газовой смеси H2 и СН4 при

К= 10 и К = 0,5 не будет выделяться сажа.

3.Опишите, как влияют легирующие элементы на глубину, структуру и свойства азотированого слоя на стали. Объясните причины этого влияния.

4.Какие виды ХТО повышают стойкость стали в морской воде? Кратко охарактеризуйте эти процессы. Объясните причины повышения уровня свойств.

5.Изделие (вал из стали 3Х13) работает в 10 %-ном HNO3. Предложите вид ХТО, позволяющий заменить хромистую сталь на углеродистую, обоснуйте выбор, опишите режимы обработки.

Задание 11

1.Зная Д и τ, подсчитайте значения х при диффузионном хромировании железа. Исходные данные см. в [20, рис. 130].

2.Приведите примеры реакций диссоциации в процессах

ХТО.

3.Опишите структуру цементованного слоя на углеродистой

илегированной стали. Объясните причины наблюдаемой разницы.

4.Перечислите процессы ХТО, приводящие к повышению твердости и сохранение ее до 600 °С. Объясните причины такой стойкости.

5.Крепежные детали (болты) из нержавеющей стали работают при температуре 600 °С. Предложить способ ХТО, снижающий схватываемость крепежа иоблегчающий сборку иразборку конструкций.

Задание 12

1. Зная распределение С = f(x,τ) для цементации сталей 20, 12ХНЗА и40СХ подсчитать h иД. Исходныеданные см. в [10, рис. 65].

75

2.Описать химические реакции, происходящие при цементации в средах на основе эндогаза и провести их анализ.

3.Опишите структуру и фазовый состав слоя после насыщения стали С и N при температурах 560 °С и 870 °С.

4.Объясните причины повышения поверхностной стойкости стали после диффузионного хромирования и титанирования.

5.Изделие с тонкими кромками (~ 0,5 мм) из стали 40 работает в условиях абразивного изнашивания. Предложите вид ХТО для повышения уровня свойств, обоснуйте выбор режима обработки и объясните причины изменения свойств.

76

5.СИТУАЦИОННЫЕ ЗАДАЧИ*

1.При расчетах режимов газовой цементации шестерен малого модуля (толщина слоя 0,2…0,3 мм) технолог использовал решение II уравнения Фика в виде

Обработка партии деталей по рассчитанным режимам привела к браку – толщина цементованного слоя оказалась заметно меньше расчетной.

Молодой специалист, выпускник кафедры "Металловедение и физика прочности" МИСиС быстро нашел ошибку в расчетах технолога, приведшую к браку. Он провел новые расчеты режимов, использование которых привело к положительному результату. Какую ошибку допустил технолог? Чего он не учел? Объясните и опишите подробно, как в данном случае следовало проводить расчеты и почему? Что предложил и как провел расчеты молодой инженер?

2.При расчетах режимов газовой цементации колец крупных подшипников (толщина слоя 4 – 6 мм) технолог, используя номограммы А.А.Попова [10], решал II уравнение диффузии с учетом поверхностных явлений, т.е. с учетом ограниченной скорости подачи углерода к поверхности деталей, что значительно усложнило задачу. Каким образом в этом случае можно существенно упростить расчеты?

3.Металлографический анализ образцов-свидетелей показал присутствие в цементованном слое на стали 20 грубой цементитной сетки. Какой параметр процесса цементации не был выдержан, если контроль температуры осуществлялся непрерывно и она в течении

всего периода цементации была постоянной и равной 930 °С?

В другом случае изделия после цементации были покрыты плотным слоем сажи. Толщина слоя была меньше требуемой. Какова причина этого явления?

4. Желая увеличить толщину слоя ε-фазы при антикоррозионном азотировании стали 10, технолог повысил температуру процесса с 650 °С до 800 °С. Однако, как показали результаты металло-

* Используются при проведении семинарских и лабораторных занятий.

77

графического анализа, вместо ожидаемого увеличения толщины слоя этой фазы, произошло ее уменьшение. В чем причина этого явления? Объясните подробно и приведите другие подобные примеры.

5. Шестерни ответственных изделий из стали 20Х2НЧА после цементации при 920 °С охлаждали на воздухе, затем подвергали закалке с 850 °С и низкому отпуску при 200 °С. Однако твердость зубьев не достигла требуемой HRC 60…62 и составила лишь HRC 50…52. Объясните причину низкой твердости закаленных деталей. Какие изменения следует внести в технологический процесс, чтобы получить требуемый результат?

6.Тонкие кромки режущего инструмента (пилы), изготовленного из стали У7 после диффузионного хромирования, проводимого для повышения их износостойкости, понизили свою жесткость. Технолог назначил последующую термическую обработку (закалка и низкий отпуск), чтобы повысить уровень свойства изделий в целом. Однако прочность практически не изменилась. Чем это можно объяснить? Что показал металлографический анализ, проведенный в лаборатории? Что надо сделать, чтобы сохранить жесткость изделий?

7.Лента толщиной 0,5 мм из стали 20 после алитирования и силицирования, проведенных для повышения коррозионной стойкости, уменьшила свою пластичность и при навивке на оправку стала ломаться. В результате проведенного в лаборатории металлографического анализа установлена причина этого явления. Какова эта причина? Каковы результаты металлографического анализа? Что надо сделать, чтобы избежать этого явления?

8.После азотирования в ночную смену партии деталей из стали 38Х2МЮА твердость поверхности изделий оказалась пониженной – HV 800). Для выяснения причины брака технолог просмотрел диаграммы записи контрольных приборов и сразу нашёл причину. На какие приборы обратил внимание технолог? Что он увидел? В чем причина брака?

9.Желая повысить износостойкость нитепроводов прядильных машин, изготовленных из стали 10, технолог принял решение подвергнуть их диффузионному хромированию. Однако стойкость изделий при этом практически не изменилась. Объясните причину этого явления. Какую ошибку допустил технолог? Какой обработке надо было подвергнуть данные изделиядля повышения их износостойкости?

10.При проведении металлографического анализа была обнаружена толстая зона нитридных фаз и низкая твердость (HV) поверхности партии деталей из стали 38Х2МЮА после азотирования.

78

Каковы причины брака? Каковы нарушения режима, если за весь период проведения процесса расход аммиака оставался постоянным?

11.После газовой цементации с использованием эндотермической атмосферы, непосредственной закалки и низкого отпуска зубчатых колес из стали 25ХГТ, на образцах-свидетелях был обнаружен большой разброс уровня механических свойств и пониженное значение предела выносливости. Металлографическая лаборатория быстро установила причину брака. Что было обнаружено в результате металлографического анализа? Чем объясняется брак? Какие мероприятия следует провести, чтобы избавиться от этого порока?

12.На предприятие поступило оборудование для проведения газовой цементации, позволяющее регулировать углеродный потенциал среды в различных зонах агрегата. Молодой инженер-технолог

–выпускник МИСиС – предложил и обосновал технологический процесс, позволивший наиболее рационально использовать новое оборудование и сократить длительность процесса цементации примерно на 30 %. Что предложил молодой специалист? Какие изменения он внес в технологический процесс газовый цементации стали?

79

ЛИТЕРАТУРА

Учебная

1.Новиков И.И. Теория термической обработки металлов. – М.: Металлургия, 1974. – 399с.

2.Андрюшечкин В.И., Мельниченко А.С., Астафьева Е.В. Теория термической обработки: Лаб. практикум. – М.: МИСиС, 1982.

3.Лахтин Ю.М., Арзамасов Б.Н. Химико-термическая обработка металлов. – М.: Металлургия, 1985. – 253с.

4.В.И. Андрюшечкин, В.В. Астафьева, Л.В. Карабасова и др. Термическая обработка металлов: Лаб. практикум. – М.: МИСиС, 1987. –151с.

5.Специальные стали и сплавы. Лаб. практикум/Под ред. М.А.Штремеля. – М.: МИСиС, 1987. – 151с.

Справочная

6.Химико-термическая обработка металлов и сплавов: Справочник / Под ред. Л.С.Ляховича. – М.: Металлургия, 1981. – 424с.

7.Термическая обработка в машиностроении: Справочник

/Под ред. Ю.М. Лахтина и А.Г.Рахштадта. – М.: Машиностроение, 1981. – 368с.

8.Цинкование: Справочник / Под ред. Е.В.Проскуркина. – М.: Металлургия, 1988. – 482с.

9.М.Хокинг, В.Васантасри, П.Сидки. Металлические и керамические покрытия / Пер. с англ. – М.: Мир, 2000. – 516с.

Монографическая

10.Попов А.А. Теоретические основы химико-термической обработкистали. – Свердловск: Чернаяицветнаяметаллургия, 1962. – 119с.

11.Минкевич А.Н. Химико-термическая обработка металлов

исплавов. – М.: Машиностроение, 1965. – 465с.

80