primer_KR_materialovedenie

получению плотных отливок. Положительно сказывается повышенная скорость затвердевания на дисперсность структурных составляющих и фазовом составе сплавов: измельчается эвтектика, уменьшаются размеры и улучшается форма железосодержащих фаз. Однако кокиль хуже заполняется сплавом, чем песчаная форма, поэтому необходима повышенная температура металла при заливке. Улучшению заполняемости способствует также повышение температуры кокиля и применение покрытий с высокими теплоизолирующими свойствами. Большое значение имеют условия теплообмена между отливкой и кокилем для алюминиевых сплавов с широким температурным интервалом затвердеванием.

Вследствие повышенной склонности к окислению и малой плотности необходимо проводить фильтрацию алюминиевых сплавов при заливке в кокиль. Чаще всего для этого используют сетки из стеклоткани или из перфорированной металлической ленты. Также для предохранения металла от окисления применяются флюсы: КС1 - 44% и MgCl - 56%; NaCl - 50% и СаС1 - 50%; NaCl - 50%, KC1 - 35% и др. Все они являются легкоплавкими (температура плавления 500-600°). Для получения плотного металла с более мелким зерном в жидкий металл добавляют модификаторы. Для алюминиевого сплава в качестве модификатора при меняют чистый натрий и его соли: 67% NaF + 33% NaCl или 25% NaF + 62,5% NaCl + 12,5% KC1.

Фазовый состав сплава в литом состоянии: а-твердый раствор +Т(Al6Cuз Ni) + S(Al2CuMg). При нагреве под закалку фаза S(Al2CuMg) целиком переходит в твердый раствор, а при последующем его распаде выделяется в виде дисперсных частиц по всему объему а-твердого раствора, что обусловливает сплаву сравнительно высокую жаропрочность. Этому также способствует наличие тугоплавкой фазы Al6 Cu3 Ni, кристаллизующейся в разветвленной форме и располагающейся в основном по границам зерен, что тормозит развитие процесса диффузии и препятствует деформации при воздействии температур и напряжений.

Термическая обработка проводится по режиму Т5: нагрев под закалку при 515±50С, выдержка 2-5 ч, охлаждение в воде при температуре 20-1000С, старение при температуре 175±5 0С в течение 3-5 ч, охлаждение на воздухе.

11

4. Задание №4

Условие: выбрать сталь (G0,2 ~ 1400 ... 1600 МПа) для пружинных подвесок и опор трубопроводов. Указать марку, химический соста в, роль легирующих элементов, назначить режим термической обработки, привести окончательную структуру и механические свойства стали.

Ответ: Стали и сплавы с высокими упругими свойствами находят широкое применение в машино- и приборостроении. В машиностроении их используют для изготовления рессор, амортизаторов, силовых пружин различного назначения.

Пружины, рессоры машин и упругие элементы при боров характеризуются многообразием форм, размеров, различными условиями работы. Особенность их работы состоит в том, что при больших статических, циклических или ударных нагрузках в них не допускается остаточная деформация. Для обеспечения работоспособности силовых упругих элементов рессорно -пружинные стали должны иметь высокие пределы упругости, выносливости и релаксационную стойкость. Этим требованиям удовлетворяют стали с повышенным содержанием углерода (0,5 - 0,7%), которые подвергают закалке и отпуску при 420 - 520 °С.

Согласно ОСТ 108.764.01-80 «Пружины винтовые цилиндрические для подвесок трубопроводов ТЭС и АЭС» для пружинных подвесок и опор трубопроводов выбираем сталь 60С2ХА.

Сталь 60С2ХА - рессорно-пружинная сталь.

Химический состав

Влияние легирующих элементов: Кремний и марганец сильно упрочняют феррит и способствуют повышению характеристик прочности стали после термической обработки. Влияние дополнительного легирования хромом, ванадием, никелем проявляется в уменьшении критической скорости охлаждения и повышении прокаливаемое™. Карбидообразующие элементы - хром и ванадий - предупреждают обезуглероживание пружин при нагреве под закалку

12

Применение: рессоры, пружины, торсионные валы, пневматические зубила.

Прокаливаемость достигает 18 мм. Механические свойства при t = 20°С:

Обозначения: ов - предел временной прочности; о\ - предел текучести;

55 - относительное удлинение при разрыве; ц/ - относительное сужение при разрыве; Е - модуль упругости первого рода; НВ - Твердость по Бриннелю.

Рассмотрим режим термической обработки данной стали. Сталь 60С2ХА содержит 0,6% С и является конструкционной доэвтектоидной сталью. Наиболее оптимальным режимом термообработки является закалка и средний отпуск.

По данным РОСТ 14959-79 для стали 60С2ХА составляет 830 °С (Ас3 = 780°С) в качестве охлаждающей среды выбираем масло . Отпуск производим при температуре 420°С (средний отпуск), выше температуры необратимой отпускной хрупкости, охлаждающая среда - вода. Получаемая структура троостита отпуска обеспечивает высокое

Ф+Ц

Рис. 2. Режим термообработки стали 60C2XA

13

сопротивление малой пластической деформации при HRC = 35.. .45, при этом о02/ав > 0,85 (см. рис. 2):

Рассмотрим теперь структурные превращения при термической обработке:

Сталь 60С2ХА - сталь перлитного класса. Критические точки стали АС1 = 765 ± 10°С, Асз = 780 ± 10°С Сталь подвергают полной закалке при этом ее нагревают до образования однородной мелкозернистой аустенитной структуры.

Последующее охлаждение в масле со скоростью большей, чем VKp (наименьшая скорость охлаждения, при которой аустенит превращается в мартенсит), обеспечивает получение мелкозернистого мартенсита.

Рассмотрим превращения, происходящие в стали 60С2ХА при нагреве исходной равновесной структуры Ф+Ц .На практике при обычных скоростях нагрева (электропечи) под закалку перлит сохраняет своѐ пластинчатое или зернистое строение до температуры Ас, (765 °С для стали 60С2ХА). При температуре АС1 в стали происходит превращение перлита в аустенит. Кристаллы (зерна) аустенита зарождаются в основном на границах фаз феррита и цементита. При этом параллельно развиваются 2 процесса: полиморфный переход Fea □ Fey и растворение цементита в аустените.

Представим общую схему превращения:

ЩФ+Ц) □ Ф+Ц+АП А+ЦП А(неоднородный) □ А(гомогеннь]й) .

Образование зерен аустенита происходит с большей скоростью, чем растворение цементита перлита, поэтому необходима выдержка стали при температуре закалки для полного растворения цементита и получения гомогенного аустенита.

При этом, чем выше дисперсность структуры перлита (Ф+Ц) и скорость нагрева стали, тем больше возникает центров зарождения аустенита, а следовательно, возрастает дисперсность продуктов его распада. Увеличение дисперсности продуктов распада аустенита приводит к увеличению пластичности, вязкости, уменьшению чувствительности к концентраторам напряжений.

При непрерывном охлаждении в стали с охл > краустенит превращается в мартенсит. Мартенситное превращение развивается в сталях с высокой

14

скоростью(-1000...7000 м/с) в интервале температур Мн ...Мк . При этом необходимо учитывать, что с увеличением содержания углерода в стали температуры Мн и Мк понижаются (точки Мн и Мк изменяют свое положение на графике). Введение легирующих элементов также изменяет положение точек Мн и Мк .В результате закалки стали 60С2ХА ее структура может иметь кроме мартенсита и некоторое количество остаточного аустенита. аустенита.

Полученный мартенсит представляет собой пересыщенный твердый раствор углерода в а - железе и имеет тетрагональную кристаллическую решетку. Атомы углерода занимают в основном октаэдрические поры.

Образование в результате закалки мартенсита приводит к большим остаточным напряжениям, повышению твердости, прочности, однако при этом возрастает склонность к хрупкому разрушению, что требует проведения дополнительного последующего отпуска.

Рассмотрим теперь окончательные превращения в закаленной стали при среднем отпуске (40°С). Нагрев закаленной стали до температуры АС| принято называть отпуском. Отпуск должен обеспечить получение необходимых эксплуатационных свойств стали. Структура стали 60С2ХА после закалки состоит из мартенсита и остаточного аустенита.

Рассмотрим последовательность процессов при отпуске с повышени ем температуры. До 80 °С диффузионная подвижность мала и распад мартенсита идет медленно. Первое превращение при отпуске развивается в диапазоне 80...200°С и приводит к формированию структуры отпущенного мартенсита - смеси пересыщенного углеродом а раствора и когерентных с

15

ним частиц s - карбида. В результате этого существенно уменьшаются степень тетрагональное™ мартенсита ( часть углерода выделяется в виде метастабильного £ карбида), уменьшается его удельный объем, снижаются остаточные напряжения.

Второе превращение при отпуске развивается в интервале температур

200...260 °С (300 °С) и состоит из следующих этапов:

1)Превращение остаточного аустенита в отпущенный мартенсит.

2)Распад отпущенного мартенсита: степень его пересыщенности уменьшается до 0,15.. .0,2% , начинается преобразование Б - карбида в Fe3C - цементит и его обособление, разрыв когерентности.

3)Снижение остаточных напряжений

4)Некоторое увеличение объема, связанное с переходом А ост □ Мотп.

Третье превращение развивается в интервале 300.. .400°С.При этом заканчивается распад отпущенного мартенсита и процесс карбидообразования. Формируется Феррито - карбидная смесь, существенно снижаются остаточные напряжения; повышение температуры отпуска выше 400 °С активизирует процесс коалесценции карбидов, что приводит к уменьшению дисперсности феррито - цементитной смеси.

В стали 60С2ХА после полной закалки в масле и среднего отпуска образуется структура троостита отпуска.

5. Задание №5

Условие: выбрать пластмассу для изготовления малонагруженных деталей управления электрических приборов (ручек, кнопок, маховичков и т.п.). Указать классификационную группу, состав, строение, физические и механические свойства пластмассы. Описать способ получения деталей.

Ответ: в соответствии с ГОСТ 31.0101.01-89 «Детали управления. Маховички, рукоятки вращающиеся, ручки, кнопки. Общие технические условия» выбираем фенопласт 03-010-02.

Фенопласты представляют собой формовочные материалы, полученные в результате совместной обработки фенольной смолы, органического наполнителя, отверждающих, красящих веществ и других специальных добавок. Фенопласты перерабатываются методами прямого и литьевого прессования.

16

03-010-02 имеет черный цвет, удовлетворительные прочностные и диэлектрические свойства. Стойкость к минеральным и растительным маслам, алифатическим углеводородам.

Применяется в слабонагруженных электротехнических деталях на напряжение до 1 кВ в нормальных климатических условиях, дета лях аппаратуры, не соприкасающиеся с контактами из серебра.

Методы изготовления: компрессионное (прямое) прессование (20-35; 155 ±5; 1,0-1,5). То же с предварительным подогревом при 130-150 °С в течение 4-15 мин (15-45; 175+5; 0,6-0,8). Литьевое прессование (40-80; 180+10; 0,4-0,6).

Прессование предусматривает загрузку материала в пресс -форму, под действием температуры перевод материала в вязкопластичное состояние, формование изделия под действием давления и фиксацию заданной конфигурации изделия в результате ускоренного сшивания олиго меров при повышенной температуре. Полученное этим методом изделие, обладает формоустойчивостью при повышенной температуре и не требует охлаждения перед извлечением из пресс -формы.

Методом прессования перерабатывают материалы на основе различных олигомеров и наполнителей. Наибольшее распространение в качестве сырья для прессования получили фенопласты (материалы на основе феноло - формальдегидных олигомеров), а также аминопласты (материалы на основе продуктов поликонденсации карбамида и меламина с формальдегидо м). Однако за последние десятилетия все чаще для прессования применяются: полиэстерные, эпоксидные пресс-материалы, модифицированные фенопласты и аминопласты, а также кремнийорганические пресс -порошки. Пресс-материал может содержать от 30-70 % связующего, и соответственно от 70-30 % наполнителя. Кроме того, в состав могут входить отвердители, красители, смазывающие вещества и прочие компоненты. В качестве наполнителей может быть использована: древесина, целлюлозное волокно, асбестовая и кварцевая мука, каол ин, стекловолокно и др.

17

Компрессионное (прямое) прессование - процесс заключается в непосредственном придании необходимой формы изделию под действием высокого давления, что образуется в пресс -форме при температуре быстрого

Рисунок 3. Схема прямого прессования:

а) - загрузка пресс-материала; б) - прессование; в) - размыкание формы и извлечение изделия; 1 - пуансон; 2 - пресс-материал; 3 - матрица; 4 - выталкиватель; 5 - изделие

отверждения материала (см. Рис. 3).

Вследствие внешнего давления в прессуемом материале, происходит его уплотнение, частичное разрушение предыдущей структуры, Во время уплотнения и деформации в результате трения между частичками материала происходит выделение тепловой энергии, которая совмес тно с внешним обогревом формующих элементов приводит к плавлению связующего.

После того как материал перешел в вязкопластичное состояние, он под действием давления распределяется в пресс -форме образуя монолитную и уплотненную структуру.

Процесс отверждения заключается в протекании реакции сшивки макромолекул вследствие поликонденсации между свободными функциональными группами связующего или отвердителя и связующего (двухкомпонентные системы). Реакция происходит под действием тепла, с выделением низкомолекулярных, летучих веществ: вода, формальдегид, аммиак, метанол и др.

Технологические параметры компрессионного прессования

-температура предварительного подогрева;

-температура прессования;

-давление прессования;

-параметры подпресовок;

18

- время выдержки под давлением; При прямом прессовании давление непосредственно действует на

материал, который находится в оформляющей полости формы, поэтому детали формы преждевременно изнашиваются. Этого недостатка лишен метод трансферного прессования.

Литьевое (трансферное) прессование - этот способ переработки отличается от компрессионного прессования тем, что материал загружается в загрузочную камеру пресс формы, где он переходит в вязкопластичное состояние, а потом под действием давления передавливается через литниковый канал в оформляющую полость. Благодаря наличию загрузочной камеры, материал проходит предварительный разогрев и уже, будучи прогретым, до температуры близкой к температуре формы, под действием пуансона перетекает в оформляющую часть формы. Во время течения по литниковому (литниковым) каналам происходит его гомогенизация. Расплав подается в предварительно сомкнутую форму, которая нагрета до температуры прессования. Во время литьевого прессования не используют подпресовки (см. Рис. 4).

Рисунок 4. Схема трансферного прессования

(слева до смыкание формы, справа - после смыкание) 1 - пресс-материал; 2 - пуансон; 3 - литниковый канал; 4 - изделие

Для формования изделий данным методом используют пресс - материалы со сравнительно большим временем пребывания в вязкопластичном состоянии и повышенной текучестью. Использую

19

предварительный прогрев материала перед дозировкой, можно сократить цикл прессования.

Этот метод целесообразно применять, когда необходимо формовать разнотолщиные изделия, при наличии тонкой проходящей арматуры, а также оформляющих знаков.

При попадании расплава в полость пресс -формы происходит испарение влаги и летучих веществ, для этого конструкцией предусматриваются наличие вентиляционных (отводящих) каналов. Отведение летучих веществ значительно ускоряет процесс отверждения материала.

Технологический процесс происходит, как и при прямом прессовании, с отличиями, обусловленными сложной конструкцией формы. Как правило, для литьевого прессования применяют пакетные формы, состоящие как минимум из 3-х частей: нижняя полуформа, верхняя полуформа и входящая в них загрузочная камера. Однако большинство форм еще сложнее по своему устройству и могут содержать промежуточные втулки, съемные литниковые каналы элементы для крепления знаков и т.д. Такой подход связан не только со сложностью изготовления цельных частей, но и упрощает процесс эксплуатации формы. Из всего выше описанного вытекает длительн ая технологическая стадия процесса прессования - сборка и разборка «пакета» включая усложненное извлечения изделия. При литьевом прессовании отсутствует стадияподпресовки т.к. отвод летучих происходит еще на этапе впрыска в пресс-форму.

Технологические параметры литьевого прессования

-температура прессования;

-удельное давление формования;

-усилие прессования;

-время выдержки под давлением;

-усилие запирания формы;

Преимуществами литьевого прессования является не только пониженный износ деталей формы, но и быстрый и интенсивный прогрев материала за счет диссипативного тепловыделения образующегося в результате течения вязкопластичного материала через литниковые каналы. Улучшенная гомогенизация расплава - снижает коробление изделий. Конструкцией форм предусмотрены дренажные каналы для отвода пара и

20