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 | В | 0,2 | 5 | 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.
-стабилизаторы (Al, O, N), которые повышают температуру полиморфного превращения и расширяют область твердых растворов на основе
-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
-структурой термической обработкой не упрочняются.
Изоморфные -стабилизаторы (Mo, V, Ni, Ta и др.), которые понижают температуру -превращения и расширяют область твердых растворов на основе -титана (рис. 4.1, б).
Эвтектоидообразующие -стабилизаторы (Cr, Mn, Cu и др.) могут образовывать с титаном интерметаллиды типа TiХ. В этом случае при охлаждении -фаза претерпевает эвтектоидное превращение +TiХ (рис. 17.1, в). Большинство -стабилизаторов повышает прочность, жаропрочность и термическую стабильность титановых сплавов, несколько снижая их пластичность (рис. 17.2.). Кроме того, сплавы с () 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 -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 ´ или при большей степени легированности — ´´. Кристаллическая структура , ´, ´´ практически однотипная (ГПУ), однако решетка ´ и ´´ более искажена, причем степень искаженности возрастает с увеличением концентрации легирующих элементов. При старении из фаз ´ и ´´ выделяется -фаза или интерметаллидная фаза.
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»
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 ´ приводит к небольшому упрочнению и не сопровождается резким снижением пластичности.
Фазовые превращения, происходящие при медленном и быстром охлаждении титановых сплавов с различным содержанием -стабилизаторов, а также получаемые структуры отражены на обобщенной диаграмме (рис. 4.3). Она справедлива для изоморфных -стабилизаторов (рис. 4.1, б) и, с некоторым приближением, для эвтектоидообразующих -стабилизаторов (рис. 4.1, в), так как эвтектоидный распад в этих сплавах происходит очень медленно, и им можно пренебречь.
Рис. 4.3. Схема изменения фазового состава сплавов «Ti--стабилизатор»
в зависимости от скорости охлаждения и закалки из -области
При медленном охлаждении в титановых сплавах, в зависимости от концентрации -стабилизаторов, могут быть получены структуры: , + или 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 -стабилизирующих элементов до С1, т. е. сплавы, которые при закалке из -области имеют исключительно a ¢ (a ¢ ¢ )-структуру. После закалки этих сплавов с температур (+)-области в интервале от полиморфного превращения до Т1, их структура представляет собой смесь фаз ´ (´´), и , а после закалки с температур ниже Ткр они имеют (+)-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 ´ (´´) и . Сплавы этой группы после закалки с температур от полиморфного превращения до Ткр имеют структуру ´ (´´), и , а с температур ниже Ткр — структуру (+).
Закалка сплавов третьей группы с концентрацией -стабилизирующих элементов от Скр до С2 с температур -области или с температур от полиморфного превращения до Т2 сопровождается превращением части -фазы в w -фазу, и сплавы этого типа после закалки имеют структуру (+). Сплавы третьей группы после закалки с температур ниже Т2 имеют структуру (+).
Сплавы четвертой группы после закалки с температур выше полиморфного превращения имеют исключительно -структуру, а с температур ниже полиморфного превращения — (+).
Необходимо отметить, что превращения + может происходить как при закалке сплавов с концентрацией (Скр–С2), так и при старении сплавов с концентрацией более С2, имеющих метастабильную -фазу. В любом случае, присутствие -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 -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 (+)-структурой. Принцип упрочняющей термообработки заключается в получении при закалке метастабильных фаз , ´, ´´ и последующем их распаде с выделением дисперсных частиц - и -фаз при искусственном старении. При этом эффект упрочнения зависит от типа, количества и состава метастабильных фаз, а также дисперсности образовавшихся после старения частиц - и -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 -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.
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. |