Термическая обработка сплавов

1. Как влияет скорость охлаждения на строение кристаллизующегося металла? Объясните сущность воздействия

С увеличением скорости охлаждения степень переохлаждения возрастает и процесс кристаллизации протекает при температурах, лежащих значительно ниже равновесной температуры кристаллизации.

Число центров кристаллизации и скорость роста кристаллов зависят от степени переохлаждения. Как видно из рисунка, число зародышей скорость роста их при равновесной температуре кристаллизации Тs равны нулю. При увеличении степени переохлаждения они возрастают и достигают максимума. При больших степенях переохлаждения число центров кристаллизации и скорость роста равны нулю, так как при низких температурах диффузионная подвижность атомов мала, а тем самым уменьшена способность системы к превращению.

Чем больше скорость образования зародышей и меньше скорость их роста, тем меньше размер кристалла (зерна), выросшего из одного зародыша, и, следовательно, более мелкозернистой будет структура металла.

Рисунок 1 — Влияние степени переохлаждения на число зародышей (1) и скорость их роста (2).

При небольшой степени охлаждения? Т (малой скорости переохлаждения) число зародышей мало. В этих условиях будет получено крупное зерно. С увеличением степени переохлаждения скорость образования зародышей возрастает, количество их увеличивается, и размер зерна в затвердевшем металле уменьшается.

2. Какая термическая обработка применяется после холодной пластической деформации для устранения наклепа? Обоснуйте выбор режима (на примере алюминия) и опишите происходящие превращения

Применяется рекристаллизационный отжиг для устранения наклепа.

Рекристаллизационный отжиг используют в промышленности как первоначальную операцию перед холодной обработкой давлением (для придания материалу наибольшей пластичности), как промежуточный процесс между операциями холодного деформирования (для снятия наклепа) и как окончательную (выходную) термическую обработку (для придания полуфабрикату или изделию необходимых свойств).

Нагрев деформированного металла ведет к повышению подвижности атомов, и среди вытянутых зерен идет интенсивное зарождение и рост новых равновесных свободных от напряжений зерен. Новые зерна растут за счет старых, вытянутых, до их столкновения друг с другом и до полного исчезновения вытянутых зерен. При нагреве по достижении температуры начала рекристаллизации предел прочности и особенно текучести резко снижаются, а пластичность увеличивается. Для устранения наклепа необходим отжиг.

Основные цели отжига: перекристаллизация стали (измельчение зерна), снятие внутренних напряжений, снижение твердости и улучшение обрабатываемости.

Наименьшую температуру начала рекристаллизации, при которой протекает рекристаллизация и происходит разупрочнение металла, называют температурным порогом рекристаллизации. Эта температура не является постоянной физической величиной. Для данного металла (сплава) она зависит от длительности нагрева, степени предварительной деформации, величины зерна до деформации и т. д.

Холодная пластическая деформация вызывает изменение структуры металла и его свойств. Сдвиговая деформация вызывает увеличение плотности дефектов кристаллической решетки, таких как вакансии, дислокации. Образование ячеистой структуры происходит с изменением формы зерен, они сплющиваются, вытягиваются в направлении главной деформации. Все эти процессы ведут к тому, что прочность металла постепенно увеличивается, пластичность падает, т. е. возникает наклеп или нагартовка.

Дальнейшая деформация такого металла невозможна, т.к. происходит его разрушение. Для снятия эффекта упрочнения применяют рекристаллизационный отжиг, т. е. нагрев металла до температур выше начала кристаллизации, выдержку с последующим медленным охлаждением. Температура нагрева зависит от состава сплава. Для чистых металлов температура начала рекристаллизации t_p=0,4Т_пл, для обычных сплавов порядка 0,6Т_пл, для сложных термопрочных сплавов 0,8Тпл. Продолжительность такого отжига зависит от размеров детали и в среднем составляет от 0,5 до 2 часов. В процессе рекристаллизационного отжига происходит образование зародышей новых зерен и последующий рост этих зародышей. Постепенно старые деформированные зерна исчезают. Количество дефектов в кристаллической решетке уменьшается, наклеп устраняется, и металл возвращается в исходное состояние.

Степень деформации определяет размер зерна после отжига. Если она близка к критической (e_кр=5…15%), то в результате после отжига в металле возникают крупные зерна, что обычно нежелательно. Поэтому перед рекристаллизационным отжигом деформацию металлов производят со степенью 30…60%. В результате получается мелкозернистая однофазная структура, обеспечивающая хорошее сочетание прочности и пластичности. Увеличение степени деформации до 80…90% вызывает появление в металле текстуры деформации. После рекристаллизационного отжига текстура деформации меняется на текстуру рекристаллизации. Как правило, это сопровождается резким направленным ростом зерна. Увеличение размеров зерна, т. е. снижение механических свойств, может вызвать также слишком большая температура отжига или большая выдержка. Поэтому при назначении режимов отжига необходимо использовать диаграмму рекристаллизации.

Рекристаллизационный отжиг может применяться как предварительная, промежуточная, так и как окончательная термообработка. Как предварительная термообработка он применяется перед холодной деформацией, если исходное состояние металла неравновесное и имеет какую-то степень упрочнения. Как промежуточная операция рекристаллизационный отжиг применяется между операциями холодной деформации, если суммарная степень деформации слишком велика и запасов пластичности металла не хватает. Как окончательный вид отжига его применяют в том случае, если потребитель требует поставки полуфабрикатов в максимально пластичном состоянии. В некоторых случаях потребителю требуется полуфабрикат, сочетающий определенный уровень прочности с необходимым запасом пластичности. В этом случае вместо рекристаллизационного отжига используют его разновидность — отжиг на полигонизацию. Отжиг на полигонизацию проводят при температуре, которая ниже температуры начала рекристаллизации. Соответственно при такой температуре происходит лишь частичное устранение наклепа за счет процессов возврата второго рода, т. е. происходит уменьшение плотности дефектов кристаллической решетки, образование ячеистой дислокационной структуры без изменения формы зерен. Степень уменьшения наклепа зависит, прежде всего, от температуры. Чем ближе температура к порогу рекристаллизации, тем меньше наклеп, тем больше пластичность и наоборот.

Температура начала рекристаллизации металлов, подвергнутых значительной деформации, для технически чистых металлов составляет примерно 0,4 Т_пл (правило А.А. Бочвара), для чистых металлов снижается до (0,1…0,2)Т_пл, а для сплавов твердых растворов возрастает до (0,5…0,6)Т_пл.

Температура начала рекристаллизации алюминия:

Т_п.р.=(660+273)0,4−273=100°С.

3. Вычертите диаграмму состояния железо-карбид железа, укажите структурные составляющие во всех областях диаграммы, опишите превращения и постройте кривую охлаждения (с применением правила фаз) для сплава, содержащего 1,5% С. Какова структура этого сплава при комнатной температуре и как такой сплав называется?

Первичная кристаллизация сплавов системы железо-углерод начинается по достижении температур, соответствующих линии ABCD (линии ликвидус), и заканчивается при температурах, образующих линию AHJECF (линию солидус).

При кристаллизации сплавов по линии АВ из жидкого раствора выделяются кристаллы твердого раствора углерода в ?-железе (?-раствор). Процесс кристаллизации сплавов с содержанием углерода до 0,1% заканчивается по линии АН с образованием? (?)-твердого раствора. На линии HJB протекает перитектическое превращение, в результате которого образуется твердый раствор углерода в ?-железе, т. е. аустенит. Процесс первичной кристаллизации сталей заканчивается по линии AHJE.

При температурах, соответствующих линии ВС, из жидкого раствора кристаллизуется аустенит. В сплавах, содержащих от 4,3% до 6,67% углерода, при температурах, соответствующих линии CD, начинают выделяться кристаллы цементита первичного. Цементит, кристаллизующийся из жидкой фазы, называется первичным. B точке С при температуре 1147 °C и концентрации углерода в жидком растворе 4,3% образуется эвтектика, которая называется ледебуритом. Эвтектическое превращение с образованием ледебурита можно записать формулой ЖР 4,3Л [А 2,14+Ц 6,67]. Процесс первичной кристаллизации чугунов заканчивается по линии ECF образованием ледебурита.

Таким образом, структура чугунов ниже 1147 °C будет: доэвтектических — аустенит + ледебурит, эвтектических — ледебурит и заэвтектических — цементит (первичный) + ледебурит.

Превращения, происходящие в твердом состоянии, называются вторичной кристаллизацией. Они связаны с переходом при охлаждении ?-железа в ?-железо и распадом аустенита.

Линия GS соответствует температурам начала превращения аустенита в феррит. Ниже линии GS сплавы состоят из феррита и аустенита.

Линия ЕS показывает температуры начала выделения цементита из аустенита вследствие уменьшения растворимости углерода в аустените с понижением температуры. Цементит, выделяющийся из аустенита, называется вторичным цементитом.

В точке S при температуре 727 °C и концентрации углерода в аустените 0,8% образуется эвтектоидная смесь состоящая из феррита и цементита, которая называется перлитом. Перлит получается в результате одновременного выпадения из аустенита частиц феррита и цементита. Процесс превращения аустенита в перлит можно записать формулой, А 0,8П [Ф 0,03+Ц 6,67].

Линия PQ показывает на уменьшение растворимости углерода в феррите при охлаждении и выделении цементита, который называется третичным цементитом.

Следовательно, сплавы, содержащие менее 0,008% углерода (точкаQ), являются однофазными и имеют структуру чистого феррита, а сплавы, содержащие углерод от 0,008 до 0,03% - структуру феррит + цементит третичный и называются техническим железом.

Доэвтектоидные стали при температуре ниже 727? С имеют структуру феррит + перлит и заэвтектоидные — перлит + цементит вторичный в виде сетки по границам зерен.

В доэвтектических чугунах в интервале температур 1147−727?С при охлаждении из аустенита выделяется цементит вторичный, вследствие уменьшения растворимости углерода (линия ES). По достижении температуры 727? С (линия PSK) аустенит, обедненный углеродом до 0,8% (точка S), превращаясь в перлит. Таким образом, после окончательного охлаждения структура доэвтектических чугунов состоит из перлита, цементита вторичного и ледебурита превращенного (перлит + цементит).

Структура эвтектических чугунов при температурах ниже 727? С состоит из ледебурита превращенного. Заэвтектический чугун при температурах ниже 727? С состоит из ледебурита превращенного и цементита первичного.

Правило фаз устанавливает зависимость между числом степеней свободы, числом компонентов и числом фаз и выражается уравнением:

C = K + 1 — Ф, где С — число степеней свободы системы;

К — число компонентов, образующих систему;

1 — число внешних факторов (внешним фактором считаем только температуру, так как давление за исключением очень высокого мало влияет на фазовое равновесие сплавов в твердом и жидком состояниях);

Ф — число фаз, находящихся в равновесии.

Сплав железа с углеродом, содержащий 1,5% С, называется доэвтектическим чугуном. Его структура при комнатной температуре перлит + цементит (вторичный) + ледебурит (перлит + цементит).

термобработка закалка металл легирующий.

а) б).

Рисунок 2: а-диаграмма железо-цементит, б-кривая охлаждения для сплава, содержащего 1,5% углерода

4. С помощью диаграммы состояния железо-карбид железа определите температуру полного отжига и закалки стали 45. Охарактеризуйте эти режимы термической обработки и опишите структуру и свойства после каждого вида обработки

Закалка доэвтектоидной стали заключается в нагреве стали до температуры выше критической (Ас 3), в выдержке и последующем охлаждении со скоростью, превышающей критическую.

Температура точки Ас 3 для стали 40 составляет 790 °C.

Если доэвтектоидную сталь нагреть выше Ас 1, но ниже Ас 3 (неполная закалка), то в ее структуре после закалки наряду с мартенситом будут участки феррита (точка 2). Присутствие феррита как мягкой составляющей снижает твердость стали после закалки. При нагреве до температуры 760 °C (ниже точки Ас 3) структура стали 40 — аустенит + феррит, после охлаждения со скоростью выше критической структура стали — мартенсит + феррит.

Доэвтектоидные стали для полной закалки следует нагревать до температуры на 30−50 °С выше Ас 3. Температура нагрева стали под полную закалку, таким образом, составляет 820−840 °С (точка 1). Структура стали 40 при температуре нагрева под закалку — аустенит, после охлаждения со скоростью выше критической — мартенсит.

5. В чем преимущества и недостатки поверхностного упрочнения стальных изделий при закалке с индукционным нагревом? Назовите марки стали, применяемые для этих видов обработки

Сущность поверхностной закалки состоит в том, что поверхностные слои детали быстро нагреваются выше критических точек и создается неравномерное распределение температуры по телу детали. Если нагрев прервать и провести быстрое охлаждение, то слой металла, нагретый выше АС 3, получит полную закалку; слой, нагретый выше АС 1, но ниже АС 3 получит неполную закалку, а сердцевина нагревается ниже АС 1 и не претерпевает никаких превращений при охлаждении.

Для индукционной закалки применяют конструкционные стали 35, 45, У 6, 35Х, 40Х, 30ХМ, 55П и т. д.

Цементацией называется процесс насыщения поверхностного слоя стальных изделий углеродом. Цементации подвергают детали из низкоуглеродистых сталей (содержащие углерода до 0,25%).

Поверхностная закалка менее продолжительна, чем химико-термическая обработка. Если продолжительность поверхностной закалки равна или меньше длительности смежных операций механической обработки, то возможен перевод термической обработки из термических цехов в общий поток механического цеха. Это позволяет более полно осуществить автоматизацию технологического процесса.

При поверхностной закалке для каждой детали необходимо изготовить свой индуктор и подобрать свой режим обработки. Поэтому поверхностная закалка с индукционным нагревом рентабельна при серийном производстве однотипных деталей, как, например, в автомобильной промышленности.

После закалки ТВЧ сталь, содержащая 0,4% С, имеет твердость поверхности HRC 54−58. После цементации низкоуглеродистой стали поверхностный слой имеет твердость HRC 60−63.

6. Для отливки ответственных зубчатых колес, шкивов и т. д. используются серые чугуны. Выберите марки чугунов, их состав, структуру и свойства. Зарисуйте микроструктуру этих чугунов

Для отливки ответственных зубчатых колес, шкивов и т. д. используются серые чугуны марки СЧ 21−40, СЧ 24−44, СЧ 28−48,СЧ 25.

Состав: С 3,2−3,4; Si 1,4−2,2; Mn 0,7−1; S до 0,15; P до 0,2.

Структура серого чугуна. При оценке структуры серого чугуна определяют размеры (в мкм) включений графита, их распределение и количество (в процентах), а также вид структуры металлической основы и дисперсность перлита (при его наличии). По строению металлической основы серые чугуны разделяют на перлитные, феррито-перлитные и ферритные.

Для обозначения компонентов структуры серого чугуна применяют условные обозначения по ГОСТ 3443–87. Так, пластичный графит в сером чугуне обозначается буквами ПГ. Формы включений графита в структуре серого чугуна могут быть:

• 1) Пластинчатая прямолинейная;
• 2) Пластинчатая завихренная;
• 3) Игольчатая;
• 4) Гнездообразная.

Свойства серого чугуна. Серый чугун обладает хорошими литейными свойствами (жидкотекучесть, малая объемная усадка и т. п.) и применяется для приготовления отливок.

Для деталей из серого чугуна характерна малая чувствительность к влиянию внешних концентраторов напряжения при циклических нагрузках, высокий коэффициент поглощения колебаний при вибрациях деталей (в 2−4 раза выше, чем из стали), высокие антифрикционные свойства (наличие графита улучшает условия смазывания при трении).

Перлитный серый чугун обладает также достаточно высокими прочностными свойствами.

Серый чугун очень хрупок из-за пластинчатой формы графитных включений, которые действуют, как многочисленные надрезы в чугуне. Значения предела прочности серого чугуна: 100 МПа для СЧ 10, 350 МПа для СЧ 35.

7. Гильзы цилиндров двигателей внутреннего сгорания должны иметь высокую твердость и износоустойчивость поверхностного слоя 750…1000 НV. Для изготовления их выбрана сталь 38Х 2МЮА. Укажите состав и определите группу стали по назначению. Назначьте и обоснуйте режим термической и химико-термической обработки, объяснив влияние легирования на превращения в стали при ее термической обработке. Опишите структуру и свойства поверхностного слоя и сердцевины гильзы

Состав стали 38Х 2МЮА: C 0.35−0.42; Si 0.2−0.45; Mn 0.3−0.6; Ni до 0.3; S до 0.025; P до 0.025; Cr 1.35−1.65; Mo 0.15−0.25; Al0.7−1.1; Cu до 0.3.

Группа: сталь жаропрочная релаксационностойкая.

Режим термической обработки стали. Для стали 38Х 2МЮА выбрана термическая обработка, состоящая из закалки с последующим высоким отпуском. Температура и продолжительность закалки: доэвтектойдные стали нагревают под закалку до температуры на 30.50 °С выше температуры АС 3. Для данной стали температура нагрева под закалку составляет 920.940 °С. Исходная структура стали феррит + перлит при нагреве стали до температуры закалки (выше, А 3) и выдержки при этой температуры превращается в аустенит.

Продолжительность выдержки при температуре аустенизации должна обеспечить прогрев детали по сечению и завершение фазовых превращений, но не более. Иначе будет происходить нежелательный рост зерна, что в последующем приведет к охрупчиванию материала.

Исходя из вышеуказанного, продолжительность прогрева детали из данного материала выбирают следующим образом: на 1 мм поперечного сечения детали — 45−75 сек в электропечах и 15−25 сек в соляной ванне (это чтобы прогреть деталь) + 15.20% от продолжительности прогрева детали. Выбранный режим нагрева должен обеспечить полное превращение исходной феррито-перлитной структуры в аустенит. Последующее охлаждение материала произведем в масле, чтобы обеспечить скорость охлаждения больше, чем vкр (наименьшая скорость охлаждения, при которой аустенит превращается в мартенсит, т. е. в структуру закаленной стали). При скоростях охлаждения меньше vкр в углеродистой стали протекает только диффузионные процессы распада аустенита с образованием феррито-перлитной структуры различной степени дисперсности (перлит, сорбит, тростит). При высоких скоростях охлаждения (выше vкр) диффузионный распад аустенита подавляется — аустенит претерпевает только мартенситное превращение.

Мартенсит представляет собой пересыщенный твердый раствор внедрения углерода в Fea. Как правило, при закалке не весь аустенит превращается в мартенсит, и структура закаленной стали представляет собой мартенсит и остаточный аустенит.

Образование в результате закалки мартенсита приведет к большим остаточным напряжениям, повышению твердости, прочности, однако резко возрастает склонность материала к хрупкому разрушению, особенно при динамических нагрузках. В связи с этим проводится окончательная операция термической обработки — высокотемпературный отпуск, при котором снимаются остаточные напряжения и обеспечиваются необходимые механические свойства материала.

Отпуск заключается в нагреве до температуры ниже АС 1, выдержке при заданной температуре и последующем охлаждении с определенной скоростью. Режим отпуска Т=660 °С в течение 1−6 часов в зависимости от габаритов изделия. Охлаждающая среда — масло. Структура стали после высокого отпуска — сорбит отпуска. Высокий отпуск следует наилучшее соотношение прочности и вязкости.

Режим химико-термической обработки. Химико-термической обработкой называют обработку, заключающуюся в сочетании термического и химического воздействий на металлы и сплавы для изменения химического состава структуры и свойств в поверхностных слоях. Химико-термическая обработка сводится к диффузионному насыщению поверхностного слоя стали неметаллами или металлами в процессе выдержки при определенной температуре в активной жидкой или газовой среде.

Для получения требуемых свойств проводим химико-термическую обработку — азотирование. Азотирование — процесс диффузионного насыщения поверхностного слоя (0,3−0,6 мм) стали азотом. Азотирование очень сильно повышает твердость поверхностного слоя, его износостойкость, предел выносливости и сопротивление коррозии в таких средах, как атмосфера, вода, пар и др. Азотирование ведут в диссоциированном аммиаке NH3 (25−60%). На обрабатываемой поверхности происходит диссоциация NH3 с образованием ионов азота, которые адсорбируются поверхностью и диффундируют в глубь металла. Твердость азотированного слоя на железе невелика ~ 300−350 НВ. Зоны ГП и обособленные выделения нитридов препятствуют движению дислокаций и тем самым повышают твердость азотированного слоя. Износостойкость азотированной стали намного выше, чем износостойкость цементированной и закаленной. В азотированном слое возникают остаточные напряжения сжатия, величина которых на поверхности составляет 600−800 МПа. Это повышает предел выносливости и переносит очаг усталостного разрушения под азотированный слой. Предел выносливости гладких образцов возрастает на 30−40%, а при наличии концентраторов напряжений — более чем на 100%. Но вследствие небольшой толщины слоя (0,3−0,6 мм), ограничивающей допустимые нагрузки, а также большой длительности процесса азотирование применяется реже, чем, например, цементация.

Влияние легирующих элементов. Влияние легирующих элементов на механические свойства стали зависит от ее структурного состояния, которое определяется термической обработкой. После закалки и высокого отпуска (улучшения) структура представляет собой сорбит — ферритно-карбидную смесь с зернистой формой карбидной фазы. Высокие механические свойства сорбита обусловлены влиянием легирующих элементов на прочность феррита, а также дисперсность и количество карбидной фазы. Сильное упрочняющее действие оказывают карбидообразующие элементы, которые затрудняют распад мартенсита и выделение из него углерода в виде дисперсных частиц карбидов. Карбидообразующие элементы упрочняют феррит также через карбидную фазу. Большинство легирующих элементов измельчает зерно, что способствует повышению работы развития трещины и снижению порога хладноломкости. В стали 38Х 2МЮА в качестве легирующих элементов вводятся Хром (1,35.1,65%), Марганец (0,3.0,6%), Молибден (0,15.0,25%).

Обоснование выбора технологии термической обработки. Сталь 38Х 2МЮА — среднеуглеродистая легированная. Наилучшее сочетание прочности и пластичности, что обеспечивает хорошую работу материала при динамических нагрузках, сталь приобретает после динамической обработки, состоящей из закалки и последующего высокотемпературного отпуска. Такой вид термообработки называется улучшением и обеспечивает в данной стали структуру сорбита, являющуюся носителем оптимальных эксплуатационных свойств.

Получение структуры сорбита для данной стали можно достичь и просто отжигом ее при тех же температурах, при которых материал нагревается под закалку, с последующим охлаждением на воздухе. Такой технологический процесс называется нормализацией. Однако улучшение этих сталей в отличии от нормализации обеспечивает повышенный предел текучести в сочетании с хорошей пластичностью и вязкостью, высоким сопротивлением развитию трещины, снижает порог хладноломкости.

8. Для изготовления деталей, работающих в активных коррозионных средах, выбрана сталь 08Х 18Н 12 Т. Укажите состав и объясните причины введения легирующих элементов в эту сталь. Назначьте и обоснуйте режим термической обработки и опишите микроструктуру данной стали после термической обработки

Условное обозначение сталей. Все стали имеют свою маркировку, отражающую в первую очередь их химический состав.

В маркировке стали первой цифрой указано содержание углерода в сотых долях процента. Затем следуют буквы русского алфавита, обозначающие наличие легирующего элемента. Если за буквой цифры нет, это означает, что содержание легирующего элемента составляет не более одного процента, а следующие за буквой цифры (цифра) означают содержание его в процентах.

08Х 18Н 12Т: содержание углерода — 0,08%, хрома — 18%, никеля — 12%, титана — до 1 процента.

В легированной стали наряду с обычными примесями (сера, кремний, фосфор) имеются легирующие, т. е. связывающие элементы: хром, вольфрам, молибден, никель, а также кремний и марганец в повышенном количестве.

Легированная сталь обладает высоко ценными свойствами, которых нет у углеродистой стали.

Хром — повышает твердость, коррозионную стойкость.

Никель — повышает прочность, пластичность, коррозионную стойкость.

Титан — повышает прочность, сопротивление коррозии.

9. Укажите марки, состав, свойства и способ изготовления металлокерамических твердых сплавов для режущего инструмента

В настоящее время для производства режущих инструментов широко используются твердые сплавы. Они состоят из карбидов вольфрама, титана, тантала, сцементированных небольшим количеством кобальта. Карбиды вольфрама, титана и тантала обладают высокой твердостью, износостойкостью.

Инструменты, оснащенные твердым сплавом, хорошо сопротивляются истиранию сходящей стружкой и материалом заготовки и не теряют своих режущих свойств при температуре нагрева до 750−1100 °С.

Установлено что твердосплавным инструментом, имеющим в своем составе килограмм вольфрама, можно обработать 5 в раз больше материала, чем инструментом из быстрорежущей стали с тем же содержанием вольфрама.

Недостатком твердых сплавов, по сравнению с быстрорежущей сталью, является их повышенная хрупкость, которая возрастает с уменьшением содержания кобальта в сплаве.

Скорости резания инструментами, оснащенными твердыми сплавами, в 3−4 раза превосходят скорости резания инструментами из быстрорежущей стали. Твердосплавные инструменты пригодны для обработки закаленных сталей и таких неметаллических материалов, как стекло, фарфор и т. п.

Производство металлокерамических твердых сплавов относится к области порошковой металлургии. Порошки карбидов смешивают с порошком кобальта. Из этой смеси прессуют изделия требуемой формы и затем подвергают спеканию при температуре, близкой к температуре плавления кобальта. Так изготовляют пластинки твердого сплава различных размеров и форм, которыми оснащаются резцы, фрезы, сверла, зенкеры, развертки и др.

Пластинки твердого сплава крепят к державке или корпусу напайкой или механически при помощи винтов и прижимов. Наряд с этим в машиностроительной промышленности применяют мелкоразмерные, монолитные твердосплавные инструменты, состоящие из твердых сплавов. Их изготовляют из пластифицированных заготовок. В качестве пластификатора в порошок твердого сплава вводят парафин до 7−9%. Из пластифицированных сплавов прессуют простые по форме заготовки, которые легко обрабатываются обычным режущим инструментом. После механической обработки заготовки спекают, а затем шлифуют и затачивают.

Из пластифицированного сплава заготовки монолитных инструментов могут быть получены путем мундштучного прессования. В этом случае спрессованные твердосплавные брикеты помещают в специальный контейнер с твердосплавным профилированным мундштуком. При продавливании через отверстие мундштука изделие принимает требуемую форму и подвергается спеканию. По такой технологии изготовляют мелкие сверла, зенкеры, развертки и т. п. Монолитный твердосплавный инструмент может также изготовляться из окончательно спеченных твердосплавных цилиндрических заготовок с последующим вышлифовыванием профиля алмазными кругами. В зависимости от химического состава металлокерамические твердые сплавы, применяемые для производства режущего инструмента, разделяются на три основные группы.

Сплавы первой группы изготовляют на основе карбидов вольфрама и кобальта. Они носят название вольфрамокобальтовых. Это сплавы группы ВК.

Ко второй группе относятся сплавы, получаемые на основе карбидов вольфрама и титана и связующего металла кобальта. Это двухкарбидные титановольфрамокобальтовые сплавы группы ТК. Третья группа сплавов состоит из карбидов вольфрама, титана, тантала и кобальта. Это трехкарбидные титано-танталовольфрамокобальтовые сплавы группы ТТК.

К однокарбидным сплавам группы ВК относятся сплавы: ВК 3, ВК 4, ВК 6, ВК 8, ВК 10, ВК 15. Эти сплавы состоят из зерен карбида вольфрама, сцементированных кобальтом. В марке сплавов цифра показывает процентное содержание кобальта. Например, сплав ВК 8содержит в своем составе 92% карбида вольфрама и 8% кобальта.

Рассматриваемые сплавы применяются для обработки чугуна, цветных металлов и неметаллических материалов. При выборе марки твердого сплава учитывают содержание кобальта, которое предопределяет его прочность. Из сплавов группы ВК сплавы ВК 10, ВК 15, ВК 8 являются наиболее вязкими и прочными, хорошо противостоят ударам и вибрациям, а сплавы ВК 2, ВКЗ обладают наиболее высокой износостойкостью и твердостью при малой вязкости, слабо сопротивляются ударам и вибрациям. Сплав ВК 8 применяется для черновой обработки при неравномерном сечении среза и прерывистом резании, а сплав ВК 2- для чистовой отделочной обработки при непрерывном, резании с равномерным сечением среза. Для получистовых работ и черновой обработки с относительно равномерным сечением срезаемого слоя применяются сплавы ВК 4, ВК 6. Сплавы ВК 10 и ВК 15 находят применение при обработке резанием специальных труднообрабатываемых сталей.

Режущие свойства и качество твердосплавного инструмента определяются не только химическим составом сплава, но и его структурой, т. е. величиной зерна. С увеличением размера зерен карбида вольфрама прочность сплава возрастает, а износостойкость уменьшается, и наоборот.

В зависимости от размеров зерен карбидной фазы сплавы могут быть мелкозернистые, у которых не менее 50% зерен карбидных фаз имеют размер порядка 1 мкм, среднезернистые — с величиной зерна 1−2 мкм и крупнозернистые, у которых размер зерен колеблется от 2 до 5 мкм.

Для обозначения мелкозернистой структуры в конце марки сплава ставится буква М, а для крупнозернистой структуры — буква К. Буквы ОМ указывают на особо мелкозернистую структуру сплава. Буква В после цифры указывает на то, что изделия из твердого сплава спекаются в атмосфере водорода. Твердосплавные изделия одного и того же химического состава могут иметь различную структуру.

Получены особо мелкозернистые сплавы ВК 6ОМ, В 10ОМ, ВК 150 М. Сплав ВК 6ОМ дает хорошие результаты при тонкой обработке жаропрочных и нержавеющих сталей, чугунов высокой твердости, алюминиевых сплавов. Сплав ВК 10ОМ предназначен червовой и получерновой, а сплав ВК 15ОМ — для особо тяжелых случаев обработки нержавеющих сталей, а также сплавов вольфрама, молибдена, титана и никеля.

Мелкозернистые сплавы, такие, как сплав ВК 6 М, используют для чистовой обработки при тонких сечениях среза стальных, чугунных, пластмассовых и других деталей. Из пластифицированных заготовок мелкозернистых сплавов ВК 6 М, ВК 10 М, ВК 15 М получают цельные инструменты. Крупнозернистые сплавы ВК 4 В, ВК 8 В, более прочные, чем обычные сплавы, применяют при резании с ударами для черновой обработки жаропрочных и нержавеющих сталей с большими сечениями среза.

При обработке сталей инструментами, оснащенными вольфрамокобальтовыми сплавами, в особенности при повышенных скоростях резания, происходит быстрое образование лунки на передней поверхности, приводящее к выкрашиванию режущей кромки сравнительно быстрому износу инструмента. Для обработки стальных заготовок применяют более износостойкие твердые сплавы группы ТК.

Сплавы группы ТК (Т 30К 4, Т 15К 6, Т 14К 8, Т 5К 10, Т 5К 12) состоят из зерен твердого раствора карбида вольфрама в карбиде титана и избыточных зерен карбида вольфрама, сцементированных кобальтом. В марке сплава цифра после буквы К показывает процентное содержание кобальта, а после буквы Т — процентное содержание карбидов титана. Буква В в конце марки обозначает, что сплав имеет крупнозернистую структуру.

Сплавы группы ТТК состоят из зерен твердого раствора карбида титана, карбида тантала, карбида вольфрама и избыточных зерен карбида вольфрама, сцементированных кобальтом. К сплавам группы ТТК относятся ТТ 7К 12, ТТ 8К 6, ТТ 10К 8Б, ТТ 20К 9. Сплав ТТ 7К 12 содержит 12% кобальта, 3% карбида тантала, 4% карбида титана и 81% карбида вольфрама.

Введение

в состав сплава карбидов тантала значительно повышает его прочность, но снижает красностойкость.

Сплав ТТ 7К 12 рекомендуется для тяжелых условий при обточке по корке и работе с ударами, а также для обработки специальных легированных сталей. Сплав ТТ 8К 6 применяют для чистовой и получистовой обработки чугуна, для непрерывной обработки с малыми сечениями среза стального литья, высокопрочных нержавеющих сталей, сплавов цветных металлов, некоторых марок титановых сплавов.

Все марки твердых сплавов разбиты по международной классификации (ИСО) на группы: К, М и Р. Сплавы группы К предназначены для обработки чугуна и цветных металлов, дающих стружку надлома. Сплавы группы М — для труднообрабатываемых материалов, сплавы группы Р — для обработки сталей.

С целью экономии дефицитного вольфрама разрабатываются безвольфрамовые металлокерамические твердые сплавы на основе карбидов, а также карбидонитридов переходных металлов, в первую очередь титана, ванадия, ниобия, тантала. Эти сплавы изготовляют на никелемолибденовой связке. Полученные твердые сплавы на основе карбидов по своим характеристикам примерно равноценны стандартным сплавам группы ТК. В настоящее время промышленностью освоены безвольфрамовые сплавы ТН-20, ТМ-3,КНТ-16 и др. Эти сплавы обладают высокой окалиностойкостью, низким коэффициентом трения, меньшим по сравнению с вольфрамсодержащими сплавами удельным весом, но имеют, как правило, более низкую прочность, склонность к разрушению при повышенных температурах. Изучение физико-механических и эксплуатационных свойств безвольфрамовых твердых сплавов показало, что они успешно могут быть использованы для чистовой и получистовой обработки конструкционных сталей и цветных сплавов, но значительно уступают сплавам группы ВК при обработке титановых и нержавеющих сталей.

Одним из путей повышения эксплуатационных характеристик твердых сплавов является нанесение на режущую часть инструмента тонких износостойких покрытий на основе нитрида титана, карбида титана, нитрида молибдена, окиси алюминия. Толщина наносимого слоя покрытия колеблется от 0,005 до 0,2 мм. Опыты показывают, что тонкие износостойкие покрытия приводят к значительному росту стойкости инструмента.

10. Опишите способы переработки пластмасс в изделия в зависимости от вида наполнителя и природы связующего

Строительные изделия из пластмасс с пористым строением по своей структуре разделяют на пенопласты, поропласты и сотопласты. Пенопласты (ячеистые пластмассы) — материалы с системой изолированных несообщающихся между собой пор и ячеек, содержащих газ, разделенных тонкими стенками.

Поропласты (пористые пластмассы) — материалы с сообщающимися порами и полостями. Различие между газонаполненными пластмассами ячеистого и пористого строения является условным, так как при изготовлении образуются обычно поры и ячейки обоих видов, и пластмассы имеют смешанное строение.

Сотопласты — материалы, имеющие повторяющиеся правильной формы полости, образованные укладкой профилирующих элементов из пластмассы без ее вспенивания. По виду строения сотопласты напоминают пчелиные соты.

Пористую структуру пенопластов и поропластов получают путем применения веществ, интенсивно выделяющих газы и вспенивающих (вспучивающих) размягченную нагреванием или иным путем пластическую массу. Такие вещества называют вспенивающими веществами или порофорами.

При получении газонаполненных пластмасс используют твердые, жидкие и газообразные вспенивающие вещества. Большее значение имеют твердые газообразователи, позволяющие получать вспененные пластмассы хорошего качества. Для получения газонаполненных пластмасс на основе вспенивающих веществ используют много уловок, которые реально разделить на две группы: с применением давления (прессовые) и при атмосферном давлении (беспрессовые). Последние технически проще и экономически выгоднее, чем прессовые.

Получение ячеистых и пористых пластмасс с применением давления обычно ведут тремя методами: прессованием смеси полимера и газообразователя при повышенной температуре, и давлении с последующим вспениванием размягченной пластической кучи в пресс-форме или вне ее (прессовый способ); выдавливанием сквозь нагретое сопло или щель размягченной пластмассы, насыщенной под давлением газом или газообразными продуктами разложения газообразователя; и насыщением размягченной полимерной кучи газами или низкокипящими растворителями под давлением с последующим вспениванием ее путем сброса давления (автоклавный метод). Наибольшее распространение получил главный способ.

Получение изделий из газонаполненных пластмасс прессовым методом имеет три операции: помол и смешение полимера и газообразователя, прессование приготовленной кучи, вспенивание заготовок. Тонкое измельчение и смешивание полимеров и твердых порофоров осуществляют в шаровых мельницах периодического воздействия с охлаждением. Продолжительность этого процесса составляет 12−24ч в зависимости от обзора полимеров. При выходе из мельницы полимерная композиция должна иметь определенную степень измельчения, температуру (не выше 40−50° С) и быть однородной.

Для прессования смесь полимера и газообразователя загружают в пресс-форму поршневого типа, которую затем помещают в гидравлический пресс, где нагревают и прессуют при давлении до 120−200кгс/см. В процессе прессования при температуре 120−180 °С масса размягчается и превращается под давлением в монолит. При достижении температуры разложения порофора начинается выделение газа, который растворяется в полимере, образуя насыщенный раствор, а оставшаяся часть равномерно распределяется в виде мельчайших пузырьков (элементарных ячеек). Тщательность проведения этой операции оказывает воздействие на качество готовой продукции. Слишком мгновенный подъем температуры, недостаточная выдержка при максимальной температуре и давлении, неравномерный прогрев кучи, недостаточное давление могут привести к ухудшению качества продукции. Обычно продолжительность этой операции составляет 40−50мин (1−2мин на 1 мм толщины заготовки). После выдержки заготовку в пресс-форме охлаждают до комнатной температуры, а затем извлекают из нее. Для окончательного вспенивания (третья операция) заготовку в камере вспенивания вторично нагревают (85−120 °С) до размягчения полимера, подавая в камеру насыщенный пар, горячую воду или воздух. За счет расширения газа в элементарных ячейках заготовки, а также его выделения из пластмассы вследствие снижения растворимости, заготовка увеличивается в объеме, сохраняя форму, приданную ей при прессовании. После вспенивания заготовку охлаждают в течение 20−30 мин до температуры 25−30 °С и получают готовое изделие.

При прессовании трудно обеспечить равномерный нагрев прессуемой заготовки, возможно также вытекание кучи, поэтому после вспенивания изделия получают с несколько деформированной формой. Для устранения этого изделия после вспенивания подпрессовывают при небольшом давлении (0,1-, 5 кгс/см). При этом они выпрямляются, а при охлаждении сохраняют нужную форму.

• 1. Гуляев А. П. Металловедение: Учебник. 6 — е изд., перераб. и доп. М.: Металлургия, 1986. — 544с.: ил.
• 2. Лахтин Ю. М., Леонтьева В. П. Материаловедение: Учебник для высших технических учебных заведений. — 3 — е. изд., перераб. и доп. — М.: Машиностроение, 1990. — 528с.: ил.
• 4. Справочник металлиста. 3-е изд. М.: Машиностроение, 1976. Т.2. 720 с.
• 5. Журавлев В. Н. Никонова О.И. Машиностроительные стали: Справочник. М.: Машиностроение, 1983. 350с.
• 6. Фиргер И. В. Термическая обработка сплавов: Справочник. -Л.: Машиностроение,. 1982. — 304 с.