Состав, свойства и применение фенопластов

Вариант 19

Выберите углеродистую сталь для изготовления пил. Назначьте режим термической обработки, опишите сущность происходящих превращений, структуру и свойства инструмента.

Для изготовления пил чаще всего применяется инструментальная углеродистая сталь У11А, т.к. острие пилы при трении нагревается до достаточно высокой температуры.

Химический состав приведен в таблице.

Массовая доля элемента, %
Углерода Кремния Марганца Серы Фосфора
не более
1,05–1,14 0,17–0,33 0,17–0,28 0,018 0,025

Термическая обработка состоит из двух этапов: предварительная и окончательная.

Предварительная термическая обработка применяется для уменьшения деформации (в 1,5–2 раза) при последующей закалке. Она заключается в предварительной закалке с 740–770 °С с охлаждением в масле и последующем отпуске при 600 °С (1 ч).

Окончательная термическая обработкасостоит из закалки и низкого отпуска, режимы которых указаны в таблице ниже.

Закалка Отпуск
Tз, °С Твердость HRCЭ Тотп, °С Твердость HRCЭ
760–780 64–66 200–250 58–59

Мелкие инструменты, в частности пилы (диаметром до 120 и длиной до 250 мм), целесообразно нагревать под закалку в соляных ваннах (70 % BaCl2 + 30 % NaCl), так как при этом не надо защищать детали от окисления и обезуглероживания.

Углеродистая сталь имеет высокую критическую скорость закалки — порядка 250°С/с. Замедление охлаждения при закалке недопустимо, так как приводит к частичному распаду аустенита при температурах перлитного интервала и, как следствие, к появлению мягких пятен.

Для изготовления деталей штампов, обрабатывающих металл в горячем состоянии, выбрана сталь 5ХНМА. Укажите состав, назначьте и обоснуйте режим термической обработки, объяснив влияние легирования на превращения, происходящие при термической обработке этой стали. Опишите микроструктуру и свойства штампов после термической обработки.

Сталь 5ХНМА характеризуется невысокой теплостойкостью (350-450° С) и повышенной ударной вязкостью (более 4 кгс·м/см2 на образцах с надрезом).

Температуры отжига с непрерывным охлаждением, изотермического отжига, высокого отпуска и твердость (НВ) стали после этих видов термической обработки показаны в таблице 2.1.

Таблица 2.1

Крити-ческие точки, °С Изотермический отжиг Отжиг с непрерывным охлаждением Высокий отпуск
Ac1 Ас3 Температура, °С Твердость НВ Температура нагрева, °С Твердость НВ Температура нагрева, °С Твердость НВ
нагрева изотермической выдержки
760—790 650—660 197 — 229 760—790 197 — 241 680 — 700 207 — 241

Режимы закалки и отпуска деталей штампового инструмента горячего деформирования, величина зерна и твердость после окончательной термической обработки приведены в таблице 2.2.

Таблица 2.2

Закалка Балл зерна Твердость HRC Отпуск
Температура, °С Температура нагрева, °С Твердость HRC
Подогрева Окончательного нагрева
700-750 840-860 - 56-60 500-550 38-41

Технологические режимы процессов поверхностного упрочнения штампов показаны в таблице 2.3.

Наимено­вание процесса Среда Компоненты Температура процесса, °С Время процес­СА, ч Толщина слоя, мм Твердость слоя HV
Азотирова­ние Газовая Аммиак, степень диссоциа­ции 25—40% 480—560 40—50 0,3—0,5 65СМ-70С
Борирование Жидкая Карбид бора В4С — 84%, бура — 16%, хлористый аммоний — 3% 8 — 10 0,5—1 До 2500

Назначьте нержавеющую сталь для работы в слабоагрессивных средах (водные растворы солей и т.п.). Приведите химический состав стали, необходимую термическую обработку и получаемую структуру. Объясните физическую природу коррозийной устойчивости стали и роль каждого легирующего элемента.

Стойкость сталей против химической коррозии (атмосферной, почвенной, щелочной, кислотной, солевой) наблюдается у стали мартенситного класса.

Мартенситный класс – стали с основной структурой мартенсита (хромистые стали с 12–17 % Cr, содержащие более 0,25 % С и, специальные добавки Мо, W, V и небольшое количество Ni — до 3 %).

Для деталей, работающих в слабоагрессивных средах (водопроводная вода, водные растворы солей и т.д.), подходит сталь 20Х13, имеющая химический состав, приведенный в таблице (указаны процентные содержания элементов).

С Si Mn Сr Ni Ti Nb S P
Не более Не более
0,16–0,25 0,8 0,8 12,0–14,0 0,025 0,030
                   

Характеристики механических свойств и режимы термической обработки нержавеющей стали указаны в таблице ниже.

Режим термической обработки, температура (°С), среда охлаждения σВ σ0,2 δ5 ψ КСU, Дж/см2
МПа %
Не менее
Закалка,1000–1050, воздух или масло; отпуск, 660–770, воздух, масло или вода

Эту сталь применяют преимущественно в термически обработанном состоянии, часто с тщательно шлифованной, а иногда и полированной поверхностью.

Структура и свойства стали в значительной степени зависят от содержания в них углерода: с понижением содержания углерода в этих сталях появляется структурно свободный феррит, ухудшающий механические свойства, и они переходят из мартенситного в мартенситно-ферритный и даже чисто ферритный классы; коррозионная стойкость их при этом несколько повышается. С повышением содержания углерода снижается коррозионная стойкость, увеличивается твердость, но возрастает хрупкость.

4. Для обшивки летательных аппаратов использован сплав ВТ6. Приведите состав сплава, режим упрочняющей термической обработки и получаемую структуру. Опишите процессы, протекающие при термической обработке. Какими преимуществами обладает сплав ВТ6 по сравнению с ВТ5?

Состав сплава ВТ6 приведен в таблице. Указаны процентное содержание легирующих элементов

Ti Al V Mo Sn Zr Mn Cr Si Fe O H N C
основа 5,3–6,8 3,5–5,3 0,30 0,10 0,60 0,20 0,015 0,05 0,10

На формирование структуры и, следовательно, свойств титановых сплавов решающее влияние оказывают фазовые превращения, связанные с полиморфизмом титана. На рисунке 4.1 представлены схемы диаграмм состояния «титан-легирующий элемент», отражающие подразделение легирующих элементов по характеру влияния на полиморфные превращения титана на четыре группы.

α-стабилизаторы (Al, O, N), которые повышают температуру полиморфного превращения α↔β и расширяют область твердых растворов на основе
α -титана (рис. 4.1, а). Учитывая охрупчивающее действия азота и кислорода, практическое значение для легирования титана имеет только алюминий. Он является основным легирующим элементом во всех промышленных титановых сплавах, уменьшает их плотность и склонность к водородной хрупкости, а также повышает прочность и модуль упругости. Сплавы с устойчивой
α-структурой термической обработкой не упрочняются.

Изоморфные β-стабилизаторы (Mo, V, Ni, Ta и др.), которые понижают температуру α↔β-превращения и расширяют область твердых растворов на основе β-титана (рис. 4.1, б).

Эвтектоидообразующие β-стабилизаторы (Cr, Mn, Cu и др.) могут образовывать с титаном интерметаллиды типа TiХ. В этом случае при охлаждении β-фаза претерпевает эвтектоидное превращение β→α+TiХ (рис. 17.1, в). Большинство β-стабилизаторов повышает прочность, жаропрочность и термическую стабильность титановых сплавов, несколько снижая их пластичность (рис. 17.2.). Кроме того, сплавы с (α↔β) и псевдо-b -структурой могут упрочняться термообработкой (закалка + старение).

Нейтральные элементы (Zr, Sn) не оказывают существенного влияния на температуру полиморфного превращения и не меняют фазового состава титановых сплавов (рис. 4.1, г).

Полиморфное β→α-превращение может происходить двумя путями. При медленном охлаждении и высокой подвижности атомов оно происходит по обычному диффузионному механизму с образованием полиэдрической структуры твердого a -раствора. При быстром охлаждении — по бездиффузионному мартенситному механизму с образованием игольчатой мартенситной структуры, обозначаемой α´ или при большей степени легированности — α´´. Кристаллическая структура α, α´, α´´ практически однотипная (ГПУ), однако решетка α´ и α´´ более искажена, причем степень искаженности возрастает с увеличением концентрации легирующих элементов. При старении из фаз α´ и α´´ выделяется β-фаза или интерметаллидная фаза.

Состав, свойства и применение фенопластов - student2.ru

Рис. 4.1. Диаграммы состояний систем «Тi-легирующий элемент» (схемы):

а) «Тi-a -стабилизаторы»; б) «Тi-изоморфные b -стабилизаторы»;

в) «Тi-эвтектоидообразующие b -стабилизаторы»; г) «Тi-нейтральные элементы»

Состав, свойства и применение фенопластов - student2.ru

Рис. 4.2. Влияние легирующих элементов на механические свойства титана

В отличие от мартенсита углеродистых сталей, являющегося раствором внедрения и характеризующегося высокой прочностью и хрупкостью, титановый мартенсит является раствором замещения, и закалка титановых сплавов на мартенсит α´ приводит к небольшому упрочнению и не сопровождается резким снижением пластичности.

Фазовые превращения, происходящие при медленном и быстром охлаждении титановых сплавов с различным содержанием β-стабилизаторов, а также получаемые структуры отражены на обобщенной диаграмме (рис. 4.3). Она справедлива для изоморфных β-стабилизаторов (рис. 4.1, б) и, с некоторым приближением, для эвтектоидообразующих β-стабилизаторов (рис. 4.1, в), так как эвтектоидный распад в этих сплавах происходит очень медленно, и им можно пренебречь.

Состав, свойства и применение фенопластов - student2.ru

Рис. 4.3. Схема изменения фазового состава сплавов «Ti-β-стабилизатор»

в зависимости от скорости охлаждения и закалки из β-области

При медленном охлаждении в титановых сплавах, в зависимости от концентрации β-стабилизаторов, могут быть получены структуры: α, α+β или β соответственно.

При закалке в результате мартенситного превращения в интервале температур Мн–Мк (на рис. 4.3 показаны пунктиром) следует различать четыре группы сплавов.

В первую группу входят сплавы с концентрацией β-стабилизирующих элементов до С1, т. е. сплавы, которые при закалке из β-области имеют исключительно a ¢ (a ¢ ¢ )-структуру. После закалки этих сплавов с температур (α+β)-области в интервале от полиморфного превращения до Т1, их структура представляет собой смесь фаз α´ (α´´), α и β, а после закалки с температур ниже Ткр они имеют (α+β)-структуру.

Вторую группу составляют сплавы с концентрацией легирующих элементов от С1 до Скр, у которых при закалке из b -области мартенситное превращение не происходит до конца и они имеют структуру α´ (α´´) и β. Сплавы этой группы после закалки с температур от полиморфного превращения до Ткр имеют структуру α´ (α´´), α и β, а с температур ниже Ткр — структуру (α+β).

Закалка сплавов третьей группы с концентрацией β-стабилизирующих элементов от Скр до С2 с температур β -области или с температур от полиморфного превращения до Т2 сопровождается превращением части β-фазы в w -фазу, и сплавы этого типа после закалки имеют структуру (β+ω). Сплавы третьей группы после закалки с температур ниже Т2 имеют структуру (β+α).

Сплавы четвертой группы после закалки с температур выше полиморфного превращения имеют исключительно β-структуру, а с температур ниже полиморфного превращения — (β+α).

Необходимо отметить, что превращения β→β+ω может происходить как при закалке сплавов с концентрацией (Скр–С2), так и при старении сплавов с концентрацией более С2, имеющих метастабильную β-фазу. В любом случае, присутствие ω-фазы нежелательно, так как она сильно охрупчивает титановые сплавы. Рекомендуемые режимы термообработки исключают ее присутствие в промышленных сплавах или появление в условиях эксплуатации.

Для титановых сплавов применяют следующие виды термообработки: отжиг, закалка и старение, а также химико-термическая обработка (азотирование, силицирование, оксидирование и др.).

Отжиг проводится для всех титановых сплавов с целью завершения формирования структуры, выравнивания структурной и концентрационной неоднородности, а также механических свойств. Температура отжига должна быть выше температуры рекрисаллизации, но ниже температуры перехода в β-состояние (Тпп) во избежание роста зерна. Применяют обычный отжиг, двойной или изотермический (для стабилизации структуры и свойств), неполный (для снятия внутренних напряжений).

Закалка и старение (упрочняющая термообработка) применима к титановым сплавам с (α+β)-структурой. Принцип упрочняющей термообработки заключается в получении при закалке метастабильных фаз β, α´, α´´ и последующем их распаде с выделением дисперсных частиц α- и β-фаз при искусственном старении. При этом эффект упрочнения зависит от типа, количества и состава метастабильных фаз, а также дисперсности образовавшихся после старения частиц α- и β-фаз.

Химико-термическая обработка проводится для повышения твердости и износостойкости, стойкости к «схватыванию» при работе в условиях трения, усталостной прочности, а также улучшения коррозионной стойкости, жаростойкости и жаропрочности. Практическое применение имеют азотирование, силицирование и некоторые виды диффузионной металлизации.

Преимущество сплава ВТ6 в том, что наряду с повышенной прочностью, сохраняют удовлетворительную пластичность в холодном состоянии и хорошую пластичность в горячем состоянии, что позволяет получать из них все виды полуфабрикатов: листы, ленту, профили, поковки, штамповки, трубы и др. Из сплава ВТ5 листы и плиты не изготавливают из-за невысокой технологической пластичности.

Несмотря на гетерофазность структуры, рассматриваемый сплав обладает удовлетворительной свариваемостью всеми видами сварки, применяемыми для титана. Для обеспечения требуемого уровня прочности и пластичности обязательно проводят полный отжиг. При этом прочность сварного соединения (сварка плавлением) составляет не менее 0,9 от прочности основного металла. Пластичность сварного соединения близка к пластичности основного металла.

Обрабатываемость резанием удовлетворительная. Обработку резанием сплавов можно проводить как в отожженном, так и в термически упрочненном состоянии.

Рекомендуемые режимы упрочняющей термической обработки сплава ВТ6 приведены в таблице.

Температура полиморфного превращения Тпп, ° С Температура нагрева под закалку, ° С Температура старения, ° С Продолжительность старения, ч
980–1010 900–950 450–550 2–4

Исходная игольчатая структура сплава с наличием границ первичного зерна β-фазы (8–9 типы) при перегреве после закалки и старения или отжига приводит к браку — снижению прочности и пластичности. Поэтому необходимо избегать нагрева сплава до температур выше температуры полиморфного превращения, так как перегретую структуру исправить термической обработкой невозможно.

Состав, свойства и применение фенопластов - student2.ru

Рис. 4.4. Девятибальная шкала микроструктуры сплава ВТ6

Состав, свойства и применение фенопластов.

Фенопласты изготовляют на основе фенолформальдегидных смол, они широко распространены благодаря простому и дешевому способу получения сырья и его переработки, а также возможности изготовления из этих материалов сложных изделий. Фенопласты отличаются высокой прочностью, стойкостью к кислотам, щелочам и органическим растворителям, теплостойкостью, а также наличием диэлектрических свойств. Из фенолформальдегидных смол с добавкой наполнителей изготовляют пресс-порошки, волокнистые и слоистые пластики.

Характеристики, свойства и применение фенопластов различных марок представлены в таблице.

Марка Плотность, г/см3 Теплостойкость по Мартенсону, °С Рабочая температура, °С Коэффициент теплового линейного расширения n·105 Электрическая прочность, кВ/мм Основные свойства и применение
О2-010-02 О3-010-02 1,45 1,4 - - 4,5…5,3 4,6…5,3   Порошки выпускаются черного, коричневого, красного и табачного цвета. Рекомендуются для изготовления ненагруженных армированных и неармированных деталей общетехнического потребления (корпусов приборов, кнопок, маховичков, дисков, патронов, выключателей, деталей сигнальной аппаратуры). Температура эксплуатации от -60 до +60°С
Э1-340-02 Э2-330-02 Сп3-342-02 1,4 1,4 1,4 -60…100 -50…100 -60…115 - 4,5…5,3 4,3…7 Черный или коричневый цвет. Повышен­ные диэлектрические свойства (основа­ния, платы, контактные колодки, каркасы катушек, разъемы и т. д.). Эксплуа­тация допустима в среде масла, бензина. Марка СпЗ-342-02 используется для изго­товления плат и панелей, соприкасающихся с серебряными контактами
Э3-340-65 Э3-340-61 1,95 1,95 -60…115 -40…110 2…5 2…5   15…21 15…21 Предназначены для изготовления мало нагруженных радиотехнических деталей (работающих при повышенной влажности (тропикостойки).
Вх1-090-34 1,6 -40…110 - Цвет черный или натуральный желтый. Стоек к воде и кислотным средам; тропикостоек.
Вх4-080-34 1,75 -60…200 - Применяется для деталей с повышенной водостойкостью, работающих при удар­ных нагрузках.
У2-301-07 У4-301-07 1,45 1,45 -40…110 -40…110 3…3,5 3…3,5 Применяются для изготовления деталей повышенной при ударной нагрузке проч­ности (основания, диски шестерен, стой­ки кулачков, рукоятки). Водостойкость низкая.
У5-301-41 У6-301-41 1,95 1,95 -40…130 -40…130 2,5 2,5 1,7…2,5 1,7…2,5 Для деталей с повышенной теплостой­костью и механической прочностью, а так­же как фрикционный материал.
В-4-70 К-114-35 1,75 -60…150 -60…100 3,5 2…5 16…33 16…22 Зеленый цвет. Применяется для изгото­вления деталей повышенной точности в электрической автоматике, работающих при повышенной влажности и токах высо­кой частоты.

Наши рекомендации