Контрольная работа по "Материаловедении"

МИНИСТЕРСТВО СЕЛЬСКОГО ХОЗЯЙСТВА

РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ

ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ

«АЛТАЙСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ АГРАРНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ»

 

 

Контрольная работа по Материаловедении

 

Вариант 3

 

 

 

Выполнил: студент 2 ускор. курса з/о

Инженерного факультета,

(спец. Технические системы в Агробизнесе)

Шифр 13503

Костыркин П. А.

Проверил: д.т.н., доцент Иванайский В.В.

 

 

 

 

 

Барнаул 2014

Содержание

1.  Цементация. Сущность, способы, основные параметры процесса, термообработка после цементации, применение. Понятие азотирования, нитроцементации, диффузионного насыщения металлами.

2. Основные классы конструкционных легированных сталей. Общая характеристика, примеры, применение. Инструментальные легировнные стали.

3. Литье по выплавляемым моделям и в оболочковые формы. Сущность, сравнительная характеристика, применение.

4. Сварочный трансформатор и выпрямитель. Принципиальное устройство, обозначение, характеристика, применение.

5. Производственный и технологический процессы машиностроительного производства, их структура. Основные типы производства в зависимости от масштаба производства, их сравнительная характеристика.

6. Тепловые явления при резании металлов. Смазывающее-охлаждающие жидкости, виды, способы подачи, влияние на процесс разания.

7. Список литературы

 

Раздел 1

 1) Вопрос №18

Цементация – химико-термическая обработка, заключающаяся в диффузионном насыщении поверхностного слоя атомами углерода при нагреве до температуры 900…950°С. 
Цементации подвергают стали с низким содержанием углерода (до 0,25%).

Глубина цементации – расстояние от поверхности изделия до середины зоны, где в структуре имеются одинаковые объемы феррита и перлита (h = 1…2 мм). 
Степень цементации – среднее содержание углерода в поверхностном слое (обычно не более 1,2%).

На практике применяют цементацию в твердом и газовом карбюризаторе (науглероживающей среде). 
Участки деталей, которые не подвергаются цементации, предварительно покрываются медью (электролитическим способом) или глиняной смесью.

Цементация в твердом карбюризаторе 
Почти готовые изделия, с припуском под шлифование, укладывают в металлические ящики и пересыпают твердым карбюризатором. Используют древесный уголь с добавками углекислых солей BaCO3, Na2CO3 в количестве 10…40%. Закрытые ящики укладывают в печь и выдерживают при температуре 930…950°С.  

 

Цементацией (науглероживанием) называется химико-термическая обработка, заключающаяся в диффузионном насыщении поверхностного слоя стали углеродом при нагревании в соответствующей среде – карбюризаторе. Как правило, цементацию проводят при температурах выше точки Ас3 (930 – 950°С), когда устойчив аустенит, растворяющий углерод в больших количествах. 
Окончательные свойства цементованные изделия приобретают в результате закалки и низкого отпуска, выполняемых после цементации. 
Назначение цементации и последующей термической обработки – придать поверхностному слою высокую твердость и износостойкость, повысить предел контактной выносливости и предел выносливости при изгибе и кручении. 
Для цементации обычно используют низкоуглеродистые (0,1 – 0,18% С), чаще легированные, стали. Для цементации крупногабаритных изделий применяют стали с более высоким содержанием углерода (0,2 – 0,3%). Выбор таких сталей необходим для того, чтобы сердцевина изделия, на насыщающаяся углеродом при цементации, сохраняла высокую вязкость послезакалки. 
На цементацию детали поступают после механической обработки с припуском на шлифование (50 – 100 мкм). Во многих случаях цементации подвергается только часть детали; тогда участки, не подлежащие упрочнению, защищают тонким слоем меди (20 – 40 мкм), которую наносят электрическим способом или изолируют специальными обмазками, состоящими из смеси огнеупорной глины, песка и асбеста, замешанных на жидком стекле, ленитом и др.

Концентрация углерода в поверхностном слое должна составлять 0,8 – 1,0%. Для получения максимального сопротивления контактной усталости количество углерода может быть повышено до 1,1 – 1,2%. Более высокая концентрация углерода вызывает ухудшение механических свойств цементуемого изделия

Широко применяемый карбюризатор состоит из древесного угля, 20 – 35% BaCO3 и ~3,5% CaCO3, который добавляют для предотвращения спекания частиц карбюризатора. Рабочую смесь, применяемую для цементации, составляют из 25 – 35 % свежего карбюризатора и 65-75 % отработанного. Содержание BaCO3 в такой смеси 5 – 7 %, что обеспечивает требуемую толщину слоя и исключает образование грубой цементитной сетки на поверхности. 
Детали, подлежащие цементации, после предварительной очистки укладывают в ящики: сварные стальные, или, реже, литые чугунные прямоугольной или цилиндрической формы. При упаковке изделий на дно ящика насыпают и утрамбовывают слой карбюризатора толщиной 20 – 30 мм, на который укладывают первый ряд деталей, выдерживая расстояние между ними и до боковых стенок ящика 10 – 15 мм. Затем засыпают и утрамбовывают слой карбюризатора толщиной 10 – 15 мм, на него укладывают другой ряд деталей и т.д. Последний (верхний) ряд деталей засыпают слоем карбюризатора толщиной слоем 35 – 40 мм с тем, чтобы компенсировать возможную его усадку. Ящик накрывают крышкой, кроки которого обмазывают огнеупорной глиной или смесью глины и речного песка. После этого ящик помещают в печь. 
Нагрев до температуры цементации (910 – 930°С) составляет 7 – 9 мин на каждый сантиметр минимального размера ящика. Продолжительность выдержки при температуре цементации цементации для ящика с минимальным размером 150 мм составляет 5,5 – 6,5 ч для слоя толщиной 700 – 900 мкм и 9 – 11 ч для слоя толщиной 1200 – 1500 мкм. При большем размере ящика (минимальный размер 250 мм) для получения слоя толщиной 700 – 900 мкм продолжительность выдержки равна 7,5 – 8,5 ч, а при толщине 1200 – 1500 мкм – 11 – 14 ч.  
После цементации ящики охлаждают на воздухе до 400 – 500°С и затем раскрывают

Газовая цементация. Этот процесс осуществляют нагревом изделия в среде газов, содержащих углерод. Газовая цементация имеет ряд преимуществ по сравнению с цементацией в твердом карбюризаторе, поэтому ее широко применяют на заводах, изготавляющих детали массовыми партиями. 
В случае газовой цементации можно получить заданную концентрацию углерода в слое, сокращается длительность процесса, так как отпадает необходимость прогрева ящиков., наполненных малотеплопроводным карбюризатором; обеспечивается возможность полной механизации и автоматизации процессов и значительно упрощается последующая термическая обработка деталей, так как закалку можно проводить непосредственно из цементационной печи

В крупносерийном и массовом производствах газовую цементацию проводят в безмуфельных печах непрерывного действия.

Термическая обработка стали после цементации и свойства цементованных деталей. Окончательные свойства цементованных деталей достигаются в результате термической обработки, выполняемой после цементации.

В большинстве случаев, особенно при обработке наследственно мелкозернистых сталей, применяют закалку выше точки Ас1 (сердцевины) при 820 – 850 °С.

После цементации термическая обработка иногда состоит из двойной закалки и отпуска. Первую закалку (или нормализацию) с нагревом до 880 – 900 °С (выше точки Ас3 сердцевины) назначают для исправления структуры сердевины. Кроме того, при нагреве в поверхностном слое в аустените растворяется цементитная сетка, которая уже вновь при быстром охлаждении не образуется. Вторую закалку проводят с нагревом 760 – 780 °С для устранения перегрева цементованного слоя и придания ему высокой твердости.

Заключительной операцией термической обработки цементованных деталей во всех случаях является низкий отпуск при 160-180 °С, переводящий мартенсит закалки в поверхностном слое в отпущенный мартенсит, снимающий напряжения.

 

2) Вопрос № 20

Конструкционная легированная сталь

Конструкционная сталь, общее название группы сталей, предназначенных для изготовления строительных конструкций и деталей машин или механизмов. Конструкционная сталь должна обладать хорошей свариваемостью, в связи с чем содержание в ней углерода не должно превышать 0,25%; она подразделяется на углеродистую и низколегированную (до 5% легирующих элементов) повышенной прочности, а также в зависимости от назначения — для мостостроения и каркасов высотных зданий.

Конструкционная сталь, используемая в машиностроении, по химическому составу классифицируется на углеродистую и легированную (хромистая, хромоникелевая и др.); по методу изготовления — на деформируемую и литейную; по условиям работы — на конструкционную, жаропрочную, нержавеющую (коррозионностойкую), износостойкую. В зависимости от содержания углерода различают низкоуглеродистую цементуемую сталь (0,1—0,25% С) и так называемую улучшаемую сталь (0,25—0,45% С); для некоторых деталей (например, пружин, рессор) применяется сталь с более высоким содержанием углерода (0,5—0,65% С). По степени легированности сталь для машиностроения делят на низко- (до 5% легирующих элементов), средне- (5—10%) и высоколегированную (более 10%). Детали машин, изготовленные из стали, как правило, подвергают термической обработке. В зависимости от значения и характера воспринимаемых деталью нагрузок к стали предъявляются требования необходимого уровня прочности, пластичности, ударной вязкости, предела выносливости, свариваемости, прокаливаемости и др.

Тройная (железо + углерод + легирующий элемент) легированная сталь.

Хром в качестве легирующего компонента получил наибольшее распространение, так как способствует увеличению прочности стали и относительно дешев. Низко- и среднелегированную хромовые стали довольно широко применяют в авто- и тракторостроении, а также в других отраслях машиностроения для осей, валов, зубчатых колес и других деталей. Хромовая сталь при содержании 0,4-1,65% Cr и 0,95-1,15%С образует группу шарикоподшипниковых сталей ШХ6, ШХ9, ШХ15. Низколегированную хромовую сталь применяют также для изготовления инструментов.

Никель - хороший легирующий компонент, но достаточно дорогой. Поэтому его по возможности сочетают с хромом или заменяют марганцем и другими легирующими элементами (сложнолегированная сталь). Никель увеличивает прочность, вязкость и твердость стали.

Кремний при содержании свыше 0,8% повышает прочность, упругость и твердость стали, снижая, однако, её вязкость. Низкоуглеродистую кремнистую сталь применяют при сооружении мостов. Сталь 50С2, 60С2 и других марок применяют для изготовления пружин и рессор. После закалки она отличается высокой упругостью и прочностью.

Марганец повышает твердость и прочность стали, а также увеличивает её прокаливаемость и улучшает свариваемость. Низколегированную марганцевую сталь используют для деталей, от которых требуется износоустойчивость (зубчатые колеса, оси, болты). Это сталь маркировок 30Г2, 45Г2, 50Г2.

Сложнолегированная конструкционная сталь.

Эта сталь имеет широкое распространение. Путем одновременного легирования стали несколькими элементами получение нужных свойств достигается легче, полнее и при меньшем их содержании.

Хромоникелевая сталь. Она обладает высокой прочностью, вязкостью и является одним из лучших конструкционных материалов. Сталь такого вида получила распространение в авиастроении для изготовления наиболее нагруженных деталей авиамоторов, в авто- и тракторостроении. В зависимости от характера работы в изделии одни детали должны подвергаться цементации, другие- закалке и высокому отпуску(улучшению) В соответствии с этим хромоникелевая сталь делится на цементируемую и улучшаемую.

Цементуемые стали. Некоторые детали работают в условиях поверхностного износа, испытывая при этом и динамические нагрузки. Такие детали изготавливают из низкоуглеродистых сталей, содержащих 0,10-0,30 % С, подвергая их затем цементации.

Для изделий небольших размеров, деталей неответственного назначения применяют стали 10, 15, 20, для деталей более сложной формы, деталей сильно нагруженных, крупных применяют низколегированные стали с небольшим содержанием углерода. В качестве легирующих элементов в цементуемые стали добавляют хром, никель и др.

Изделия небольшого сечения и несложной формы, работающие при повышенных удельных нагрузках (втулки, валики, оси, кулачковые муфты, поршневые пальцы и т.д.), делают из хромистых сталей 15Х, 20Х, содержащих около 1 % Сг. При содержании хрома до 1,5 % в цементованном слое повышается концентрация углерода, образуется легированный цементит (Fе, Сг)3С, увеличивается глубина эвтектоидного слоя, а после термической обработки увеличивается и глубина закаленного слоя. Дополнительное легирование этих сталей ванадием (0,1(0,2 %)–сталь 15ХФ–способствует получению более мелкого зерна, что улучшает пластичность и вязкость.

Для изготовления цементуемых деталей средних размеров, испытывающих при работе высокие удельные нагрузки, используют стали, в состав которых входит никель (20ХН, 12ХНЗА). Несколько уменьшая глубину цементованного слоя, Ni в то же время увеличивает глубину закаленного слоя, препятствует росту зерна и образованию грубой цементитной сетки. Никель положительно влияет и на свойства стали в сердцевине изделия. Из-за дефицитности никеля эти стали заменяют другими легированными сталями. К ним относятся хромомарганцевые стали с небольшим количеством титана (0,006–0,12 %): 18ХГТ, 30ХГТ. В цементуемые стали титан вводят только для измельчения зерна. При большем его содержании он уменьшает глубину цементованного закаленного слоя и прокаливаемость.

Наиболее высоколегированные цементуемые стали (12Х2Н4, 18Х2Н4В и др.) используют для изготовления деталей больших сечений. Эти стали являются наиболее высокопрочными из всех цементуемых сталей. Обычно изделия, изготовленные из высоколегированных цементуемыхсталей, подвергают цементации на небольшую глубину.

Улучшаемые стали. Улучшаемыми сталями называют среднеуглеродистые конструкционные стали (0,3–05 % С), подвергаемые закалке и последующему высокотемпературному отпуску. После такой термической обработки стали приобретают структуру сорбита, хорошо воспринимающую ударные нагрузки.

Хромомарганцевые стали 20ХГС, 25ХГС, 30ХГС, называемые хромансиль, легированы хромом, кремнием и марганцем, т.е. не содержат дефицитных легирующих элементов. Эти стали обладают хорошей свариваемостью и прочностью. Недостаток этих сталей склонность к отпускной хрупкости II рода и к обезуглероживанию поверхности при нагреве.

Хромолибденовая сталь. Отличается высокой прочностью и вязкостью, простотой применяемой термической обработки. Её используют в котло- и трубостроении для котельных труб, труб пароперегревателей, котельных барабанов и т.п. Хромолибденовую сталь марки 15ХМ применяют для различного рода трубопроводов, работающих при высоких температурах в агрессивных средах. Кроме того, хромолибденовую сталь применяют в моторостроениии и других отраслях.