Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Технология получения и свойства спеченных материалов и изделий из них. Лабораторный практикум
.pdf
цессов; результаты расчета навесок, манометрических давлений
прессования, свойств спрессованных и спеченных образцов по соответствующим формулам; таблицу и графики по результатам опытов;
анализ полученных результатов, включая сопоставление способов
получения материалов W – Сu прессованием и спеканием, а также
пропиткой медью вольфрама.
Библиографический список
1. Нарва В.К. Технология порошковых материалов и изделий:
Курс лекций. М.: Изд. Дом МИСиС, 2012. 170 с.
2. Либенсон Г.А., Лопатин В.Ю., Комарницкий Г.В. Процессы по-
рошковой металлургии. М.: МИСиС, 2002. Т. 1, 2.
Контрольные вопросы
Для проверки готовности к проведению лабораторной работы
1. Каков механизм износа разрывных электрических контактов?
2. В чем заключается причина повышенной износостойкости
спеченных электроконтактных материалов?
3. Какова роль структурных составляющих в спеченных электро-
контактных материалах?
4. От каких факторов зависит износостойкость разрывных элек-
троконтактов?
5. Каковы технологические варианты получения электроконтакт-
ных материалов?
К защите лабораторной работы
1. Каков механизм процесса жидкофазного спекания системы
Cu – W?
2. Каков механизм процесса пропитки вольфрама медью?
3. Как влияет размер частиц тугоплавкого компонента на свой-
ства разрывных электроконтактов?
4. Каковы виды износа разрывных электроконтактов при разных
условиях работы?
5. Каковы возможные технологические варианты процесса про-
питки?
6. Каковы особенности свойств электроконтактных материалов с
мелкозернистой структурой?
101
Лабораторная работа 19
ПОЛУЧЕНИЕ И СВОЙСТВА
КОНСТРУКЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ
НА ЖЕЛЕЗНОЙ ОСНОВЕ
(4 часа)
19.1. Цель работы
Приобретение навыков формования, спекания и исследования
свойств конструкционных материалов на железной основе.
19.2. Теоретическое введение
Конструкционные материалы со специальными свойствами характеризуются высокой прочностью и пластичностью, износостойкостью, коррозионной стойкостью, твердостью, жаропрочностью.
Одним из путей повышения физико-механических свойств материалов конструкционного назначения является легирование металлической основы.
В настоящее время легирование порошковых материалов проводится в основном смешиванием порошков металлов, их прессованием и получением сплавов при спекании за счет диффузии. Углеродистые материалы изготовляют спеканием железографитовых или
железочугунных прессовок. Прочность железоуглеродистых материалов является функцией состояния их структуры.
Соблюдение условий изготовления, приближающих структурное
состояние исходных порошков к равновесному, обеспечивает наилучшие физико-механические характеристики материалов и наибольшую стабильность их свойств. Порошковые материалы из легированных порошков имеют более высокие характеристики, чем
изготовленные из смесей порошков.
Принципы легирования сплавов определяются в первую очередь
назначением этих сплавов и условиями их работы.
Известно, что легирующие элементы преимущественно растворяются в основных фазах железоуглеродистых сплавов (феррите, аустените, цементите) или образуют карбиды. Сейчас изучены и дру-
102
гие механизмы упрочнения этих сплавов: образование скоплений
атомов легирующих элементов вокруг дислокаций в твердых растворах, усиление взаимодействия дислокаций при повышении их плотности, создание упорядоченных атомных группировок, выделение
частиц второй фазы, количество и размеры которых позволяют достичь во всем объеме сплава оптимального расстояния между частицами, перекрываемого петлями дислокаций, которые окружают эти
частицы.
Значительное повышение физико-механических характеристик
конструкционных материалов на железной основе может быть достигнуто легированием основы никелем, хромом, медью, вольфрамом, молибденом, титаном и другими элементами. Легирование
железа медью (и особенно – углеродом и медью) значительно повышает прочностные характеристики материала, но снижает относительное удлинение. Легирование железа никелем и медью позволяет
получать материалы с повышенной пластичностью. Дальнейшее повышение свойств достигается термической обработкой материалов.
Один из наиболее распространенных способов получения высокопрочных материалов на основе железа – пропитка жидкой медью
или латунью пористых прессовок из железа, железографита, а также
применение взаимнонасыщенных порошков.
На свойства материала в значительной степени влияет не только
количество легирующей добавки, но также дисперсность и состояние поверхности используемых порошков, технологии прессования,
спекания и термической обработки.
19.3. порядок проведения работы и указания по технике
безопасности
Прессование образцов осуществляют на гидравлическом лабораторном прессе усилием 500 кН (50 т), схема которого и принцип действия описаны в [1, 2]. Спекание спрессованных образцов осуществляют в печи сопротивления с графитовой трубой, описанной в [1],
при температуре 1150…1200 °С.
Методики определения плотности и пористости приведены в
прил. 1; твердости – в прил. 3, прочности при сжатии – в прил. 10.
Работа выполняется с использованием порошка железа, смеси
«железо + 1 % С» и смесей «железо + 1 % C» с различным количеством меди, %: 1,0; 2,5; 5,0; 8,0 (по указанию преподавателя).
103
Из смесей указанных преподавателем составов и порошка чистого железа прессуют брикеты на гидравлическом прессе. Режим прессования и порядок исследования прессуемости приведены в лабораторной работе 7 .
Спекание спрессованных образцов осуществляют в электрической печи в атмосфере водорода при температуре 1150…1200 °С в течение 1 ч. Для этого образцы укладывают в никелевые лодочки и пересыпают засыпкой оксида алюминия. После окончания выдержки
лодочку вынимают из печи. Брикеты взвешивают на весах, обмеряют микрометром. Рассчитывают плотность, пористость, усадку при
спекании, определяют их твердость, прочность при сжатии.
Указания по технике безопасности при работе на гидравлическом
прессе приведены в лабораторной работе 7, при работе с угольнотрубчатой печью сопротивления – в [1].
19.4. Обработка результатов эксперимента
1. Полученные экспериментальные данные запишите в таблицу
«давление прессования, состав материала – свойства после прессования и спекания».
2. Постройте графики зависимости плотности, пористости, твердости, прочности от давления прессования для нелегированного и
легированного железа.
19.5. Отчет о выполнении лабораторной работы
Отчет должен содержать характеристику исходных материалов;
условия и результаты опытов с учетом индивидуального задания;
краткое описание характеристик используемого оборудования; результаты определения точности измерений всех параметров процесса; результаты расчета навесок, манометрического давления
прессования, свойств спрессованных и спеченных образцов по соответствующим формулам; таблицу и графики, построенные по результатам опытов; анализ полученных результатов, включая сопоставление поведения смесей при прессовании и спекании, а также
свойств в зависимости от состава материалов.
Библиографический список
1. Нарва В.К. Технология порошковых материалов и изделий:
Курс лекций. М.: Изд. Дом МИСиС, 2012. 170 с.
104
2. Либенсон Г.А., Лопатин В.Ю., Комарницкий Г.В. Процессы по-
рошковой металлургии. М.: МИСиС, 2002. Т. 1, 2.
Контрольные вопросы
Для проверки готовности к проведению лабораторной работы
1. Каковы методы введения легирующих добавок?
2. Каковы методы повышения физико-механических свойств
конструкционных материалов на основе железа?
3. Каковы основные предпосылки выбора легирующей добавки
для материалов на основе железа?
4. Назовите технологические варианты получения конструкцион-
ных материалов, обеспечивающих наибольшую плотность изделия.
5. Каково влияние пористости на свойства сталей?
К защите лабораторной работы
1. Какова сущность процесса спекания материалов Fe – C?
2. Какова сущность процесса спекания материалов Fe – Cu – C?
3. Каковы способы введения углерода в состав материалов Fe – C?
4. Каковы особенности структурообразования спеченной стали?
5. Какие варианты химико-термической обработки материалов
на основе железа можно рекомендовать для повышения их физикомеханических свойств?
6. Как влияют технологические факторы на структуру и свойства
железографитовых материалов?
105
Лабораторная работа 20
ТЕРМИЧЕСКАЯ ОБРАБОТКА СПЕЧЕННЫХ СТАЛЕЙ
(4 часа)
20.1. Цель работы
Приобретение навыков оценки влияния содержания углерода,
степени легированности, пористости порошковой стали, скорости
ее охлаждения при закалке на твердость.
20.2. Теоретическое введение
Термическая обработка спеченных сталей по сравнению с литыми сталями имеет ряд особенностей, которые определяются характером структуры и остаточной пористостью.
Остаточная пористость порошковых сталей оказывает влияние на
рост зерна аустенита при нагреве сталей. Наличие пор, а также особое строение контактных участков между частицами порошков препятствуют росту зерна аустенита.
Особенности структурного состояния и пористость оказывают существенное влияние на превращения в стали при нагреве и охлаждении. Увеличение пористости вызывает понижение критических точек
перлитно-аустенитного превращения при нагреве и повышение –
при охлаждении. Пористость оказывает сильное влияние и на начало
мартенситного превращения, смещая его в область повышенных температур. Повышение температуры начала мартенситного превращения с увеличением пористости сопровождается падением твердости
мартенсита вследствие самоотпуска в процессе охлаждения. С увеличением пористости уменьшается тетрагональность мартенсита. Пористость оказывает влияние и на кинетику распада аустенита как в изотермических условиях, так и при непрерывном охлаждении. При этом
S-образные кривые смещаются влево, область минимальной устойчивости аустенита переходит в сторону повышенных температур. Общее
время изотермического распада аустенита возрастает.
Повышение плотности сталей сопровождается увеличением
устойчивости аустенита, уменьшением критической скорости закалки и понижением температуры мартенситного превращения. Степень гомогенности твердого раствора оказывает существенное влия-
106
ние на критическую скорость закалки сталей, увеличивая ее по мере
повышения неоднородности. Структурная неоднородность заметнее
в более легированных сталях, ее влияние проявляется в смещении
,сА
критических точек (
,сАнМ ). Повышение степени гомогенно-
1
3
сти твердого раствора (его можно достигнуть повышением температуры спекания) вызывает увеличение инкубационного периода распада переохлажденного аустенита, приводит к замедлению распада
аустенита, расширению температурного интервала его максимальной устойчивости. Легирующие элементы порошковой стали в разной мере повышают устойчивость аустенита.
Учитывая особенности термической обработки порошковых сталей, можно управлять химическим составом, режимами формирования, спекания, закалки, отпуска с целью обеспечения необходимого
комплекса физико-механических свойств.
20.3. Оборудование и методика
Прессование образцов осуществляют на гидравлическом лабораторном прессе усилием 500 кН (50 т), схема и принцип действия
которого описаны в [1, 2]. Спекание спрессованных образцов осуществляют в печи сопротивления при температуре 1150…1200 °С.
Возможно использование спеченных образцов, полученных в лабораторной работе 16.
Методики определения плотности и пористости приведены в
прил. 1, твердости – в прил. 3.
20.4. Порядок выполнения работы и указания по технике
безопасности
Работа выполняется с использованием смесей Fe – C (0,2; 0,5;
1,0; 1,5 % С) и Fe – Cu – C (1,0; 2,5; 5,0; 8,0 % С) по указанию преподавателя.
Из смесей указанных преподавателем составов прессуют брикеты
на гидравлическом прессе. Режимы прессования и порядок исследования прессуемости приведены в лабораторной работе 7. По указанию преподавателя выполняются следующие варианты работы:
а) влияние содержания углерода на закаливаемость (давление
прессования постоянное);
б) влияние степени легирования на закаливаемость (давление
прессования постоянное);
107
в) влияние пористости на закаливаемость (давление прессования
меняется в пределах 300…600 МПа);
г) влияние скорости охлаждения на закаливаемость (состав и дав-
ление прессования постоянные).
После прессования определяют плотность и пористость брике-
тов.
Спекание спрессованных образцов осуществляют в электрической печи в атмосфере водорода при температуре 1150…1300 °С в
течение 1 ч. Для этого образцы укладывают в никелевые лодочки и
пересыпают оксидом алюминия. Спеченные брикеты взвешивают
на весах, обмеряют микрометром. Рассчитывают плотность, пористость, усадку при спекании, измеряют твердость.
Спеченные образцы подвергают закалке с температуры
950…1100 °С в разных закалочных средах (по указанию преподавателя): воде, масле (~ 60 °С), холодильнике печи, 10 %-ном водном растворе NaCl. После закалки измеряют твердость.
Указания по технике безопасности при работе на гидравлическом
приведены в лабораторной работе 7, при работе с электрической печиью сопротивления – в [1].
20.5. Обработка результатов эксперимента
1. Полученные экспериментальные данные после прессования,
спекания и закалки сведите в таблицу.
2. Постройте графики зависимости твердости от пористости, содержания углерода, скорости охлаждения (при охлаждении в холодильнике, в масле, воде, 10 %-ном водном растворе NaCl). Скорость
охлаждения считать равной соответственно 300 °С/мин, 200 °С/мин,
150 °С/с, 800 °С/с.
20.6. Отчет о выполнении лабораторной работы
Отчет должен содержать характеристику исходных материалов;
условия и результаты опытов с учетом индивидуального задания;
краткое описание используемого оборудования; результаты определения точности измерения всех параметров процесса; результаты
расчета навесок, манометрического давления прессования, свойств
прессованных, спеченных и закаленных образцов по соответствующим формулам; таблицу и графики, построенные по результатам
опытов; анализ полученных данных.
108
Библиографический список
1. Либенсон Г.А., Лопатин В.Ю., Комарницкий Г.В. Процессы по-
рошковой металлургии. М.: МИСиС, 2002. Т. 1, 2.
2. Нарва В.К. Технология порошковых материалов и изделий:
Курс лекций. М.: Изд. Дом МИСиС, 2012. 170 с.
Контрольные вопросы
Для проверки готовности к проведению лабораторной работы
1. Перечислите технологические варианты получения высоко-
плотной стали из порошков.
2. Назовите способы, обеспечивающие повышение свойств спе-
ченных сталей.
3. Каковы факторы, влияющие на свойства порошковых сталей?
4. Каковы особенности термической обработки спеченных ста-
лей?
5. Каков подход к выбору режимов термической обработки спе-
ченной стали?
К защите лабораторной работы
1. Какие технологические варианты получения спеченных сталей
вы знаете?
2. Каковы различия в процессах структурообразования материа-
лов из легированных порошков и смеси исходных компонентов?
3. Какие процессы происходят при нагреве и охлаждении сталей?
5. Каково влияние пористости на прокаливаемость сталей?
6. В чем различие режимов термической обработки порошковых
и литых сталей?
109
Лабораторная работа 21
ПОЛУЧЕНИЕ И СВОЙСТВА МАТЕРИАЛОВ
ДЛЯ СКОЛЬЗЯЩИХ ЭЛЕКТРОКОНТАКТОВ
(4 часа)
21.1. Цель работы
Приобретение навыков прессования и спекания при получении
скользящих электроконтактов.
21.2. Теоретическое введение
К скользящим электротехническим материалам относятся материалы, которые наряду с высокой электропроводностью обладают
достаточно высокими антифрикционными свойствами. Такие материалы обеспечивают неразрывность электрической цепи в подвижных узлах и часто работают в тяжелых эксплуатационных условиях.
Из них изготовляют щетки для электродвигателей, пластины пантографов. Исходя из условий работы и требуемых свойств наиболее
часто для изготовления скользящих контактов используют композиции из меди или её сплавов и графита. При этом содержание графита может изменяться от 5 до 80 %. Для придания материалу тех или
иных свойств применяют легирование меди оловом, свинцом, никелем, цинком, железом. Возможно использование для этих целей
материалов на основе серебра, железа. Для подобных целей кроме
графита используют другие твердые смазки: MoS2, WS2, BN.
В качестве углеродосодержащего компонента материалов, наряду с графитом, могут использоваться другие вещества, вводимые
для придания изделиям требуемых свойств (прочности, износостойкости, контактного сопротивления). Так, при введении каменноугольного пека (смолы), который одновременно является связкой
для улучшения прессуемости шихты, повышается прочность изделий. Добавление сажи и коксовой мелочи обеспечивает повышение
износостойкости.
Наиболее часто скользящие электроконтакты получают по традиционной технологической схеме порошковой металлургии с использованием прессования порошковых смесей с последующим спека-
110
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]