Контрольная работа по "Материаловедению"

2.Электроизоляционная керамика. Классификация  и основные свойства электроизоляционной  керамики. Основные сырьевые материалы  для изготовления электроизоляционной кирамики.

   Классификация и основные свойства электроизоляционной керамики. 
Электроизоляционная керамика представляет собой материал, получаемый из формовочной массы заданного химического состава из минералов и оксидов металлов. Любая керамика, в том числе и электроизоляционная,— материал многофазный, состоящий из кристаллической, аморфной и газовой фаз. Ее свойства зависят от химического и фазового составов, макро- и микроструктуры и от технологических приемов изготовления. 
В электрической и радиоэлектронной промышленности керамическая технология широко применяется для изготовления диэлектрических, полупроводниковых, пьезоэлектрических, магнитных, металлокерамических и других изделий. В настоящее время, особенно с проникновением в быт электронной техники, из электроизоляционной керамики изготавливаются десятки тысяч наименований изделий массой от десятых долей грамма до сотен килограммов и размерами от нескольких миллиметров до нескольких метров. В ряде случаев изделия из керамики, главным образом из электрофарфора, покрываются глазурями, что уменьшает возможность загрязнения, улучшает электрические и механические свойства, а также внешний вид изделия. 
Электрофарфор является основным керамическим материалом, используемым в производстве широкого ассортимента низковольтных и высоковольтных изоляторов и других изоляционных элементов с рабочим напряжением до 1150 кВ переменного и до 1500 кВ постоянного тока. 
Преимущества электрокерамики перед другими электроизоляционными материалами состоят в том, что из нее можно изготовлять изоляторы сложной конфигурации, кроме того она имеет широкий интервал спекания. Сырьевые материалы мало дефицитны, технология изготовления изделий относительно проста. Электрофарфор обладает достаточно высокими электроизоляционными, механическими, термическими свойствами в области рабочих температур; он выдерживает поверхностные разряды, слабо подвержен старению, стоек к воздействию атмосферных осадков, многих химических веществ, солнечных лучей и радиационных излучений. 
В связи с передачей энергии высоким и сверхвысоким напряжением на дальнее расстояние резко возросли требования к качеству высоковольтных изоляторов, главным образом к механической прочности. 
В последние годы выпускаются надежные высокопрочные изоляторы оптимизированной конструкции из электрофарфора высокого качества. Известно, что прочность фарфора при сжатии в 10—20 раз выше прочности при изгибе или растяжении.  
По назначению компоненты фарфора различаются на пластичные и отощающие, а по роли при термической обработке — на плавни и кристаллорбразующие. 
Механическая прочность фарфора в значительной степени зависит от механических свойств и кристаллической структуры отощающего материала, а также образованных в процессе обжига сетчатых волокнистых микроструктур кристаллической фазы (в частности, игл муллита). Стеклофаза в структуре фарфора ухудшает механическую прочность, так же как и наличие пор, неблагоприятно влияющих на распределение напряжений. 
Наравне с обычным фарфором налажен выпуск фарфора с повышенным содержанием муллита, фарфор кристобалитовый и корундовый. В последнем кремнезем в шихте частично заменен корундом. 
Большинство корундовых кристаллов при обжиге остается в исходной форме и благодаря высокому сопротивлению упругой деформации образует прочный каркас микроструктуры. Незначительная часть растворяется в стек-лофазе и является причиной возникновения вторичного муллита. Механическая прочность корундового фарфора значительно выше прочности обычного фарфора. Наиболее  перспективным является корундовый фарфор. 
Следует ожидать, что традиционные способы производства, т. е. литье изоляторов в гипсовые формы, а для больших опорных изоляторов — склейка отдельных элементов до обжига, заменяется пластическим прессованием, выдавливанием массивного цилиндра или трубки с дополнительной обработкой на копировальных станках, а также изостатическим прессованием заготовок с последующей автоматической обработкой. Использование последнего способа производства изоляторов существенно сократит технологический цикл и объем трудозатрат. 
Если поры керамики сообщаются между собой и поверхностью изделия, то она называется «пористой», т. е. имеющей «открытые» поры. 
Все керамические материалы более или менее пористые. Даже в обожженной до максимальной плотности керамике объем пор (закрытых) составляет 2—6 %, а в пористых материалах— 15 —       -25 %. 
Открытая пористость измеряется значением водопоглощения, т. е. количеством воды, поглощаемым материалом до насыщения и отнесенным к массе сухого образца. 
В тех случаях, когда водопоглощение образца не превышает 0,5 %, для определения пористости часто применяется качественный метод: прокраска образцов в 1 %-ном спиртовом растворе фуксина. Наличие открытой пористости определяется по проникновению красителя в толщу образца. 
Для характеристики плотности керамики употребляют параметр — кажущаяся плотность, ее значение 1800—5200 кг/м³. 
 
   

сырьевые материалы для  изготовления электроизоляционной кирамики.

Для изготовления электрофарфора основными сырьевыми материалами служат огнеупорные глины, кварц, пегматиты, полевые шпаты, каолины, глинозем, ашарит и циркон (для производства соответственно глиноземистого, ашаритового и цирконового фарфора), мел и доломит (в качестве плавней, главным образом, в глазури) и др. 
   Огнеупорные глины и каолины представляют собой тонкозернистые (от коллоидной дисперсности до размеров частиц менее 2 мкм) водные алюмосиликаты; для них характерна слоистая структура. 
   Основными составляющими тонкозернистой фракции глинистых пород являются минералы каолиновой группы с химическими формулами А1₂О₃ x x2SiO₂ • 2Н₂О (каолинит), А1₂О₃ • 2SiO₂ • 4Н₂О (галлуазит) и др. Для производства высоковольтного фарфора отечественными заводами используются глины и каолины. 
   Кварцевые материалы. Кристаллический кремнезем SiO₂ является одним из основных компонентов фарфоровой массы, который вводят в состав шихты в виде кварцевого песка или жильного кварца. Размер гранул кварцевых песков составляет 0,05—3 мм. Кристаллический кремнезем существует в нескольких полиморфных формах; три основные — кварц, тридимит и кристобалит. В свою очередь кварц и кристобалит имеют α- и β-модификации, тридимит — α-, β- и γ-модификации. Стабильными формами являются β-кварц (при температуре ниже 573 °С), α-тридимит (870—1470 °С) и α-кристобалит (1470—1710°С). Переход из одной модификации кремнезема в другую сопровождается изменением объема, плотности и других параметров. При производстве электрокерамики используются пески и жильный кварц. 
   В зависимости от месторождения кварцевые пески имеют примеси (Fe₂O₃, TiO₂, A1₂O₃, CaO, MgO и др.), наиболее нежелательные из которых Fe₂O₃ и ТiO₂ (допустимое содержание не более 0,15 %), СаО и MgO (не более 0,2 %). 
   Полевые шпаты представляют собой безводные алюмосиликаты, содержащие щелочные (Na⁺, К⁺) и щелочно-земельные (Са²⁺) катионы. Основные виды применяемых в керамическом производстве полевых шпатов: калиевый (микроклин) с приблизительной формулой К₂О•А1₂O₃•6SiO₂, натриевый (альбит) Na₂O•Al₂O₃•6SiO₂, кальциевый (анортит) СаО•А1₂О₃•2SiO₂ и бариевый (цельзиан) ВаО•А1₂О₃•2SiO₂. Полевые шпаты всегда содержат примеси оксидов железа, магния, кальция и др. 
   Лучшим для изоляционной керамики полевым шпатом является микроклин. Из-за повышенного содержания Na₂O в полевом шпате снижаются температура обжига, вязкость стеклофазы керамики и существенно ухудшаются его электрофизические свойства. Чем больше соотношение К₂О и Na₂O в полевом шпате, тем лучше свойства керамики. 
   В связи с ограниченностью запасов высококачественного полевого шпата для производства высоковольтных изоляторов используют пегматиты. 
   Пегматиты представляют собой крупнозернистые кристаллические породы — смесь полевого шпата с кварцем. 
   Глинозем — безводный оксид алюминия Al₂О₃ — представляет собой порошок со средними размерами сферических гранул 50— 200 мкм. Глинозем широко применяется как основной компонент электрофарфора и ультрафарфора (на основе корунда) и в качестве самостоятельного материала для изготовления высоковольтных, высокочастотных изоляторов, конденсаторов, деталей вакуум-плотных узлов (корпусов предохранителей, колб натриевых ламп, корпусов полупроводниковых вентилей, обтекателей антенн, плат для интегральных схем и др.). 
   Безводный оксид алюминия существует в нескольких кристаллических модификациях, из которых самой устойчивой является α-А1₂О₃ (корунд). Эта модификация характеризуется малым tgδ≈2•10^-4, высоким ρ≈10¹⁴ Ом•м, высокой теплопроводностью и стойкостью к термоударам,   наибольшей   плотностью   (3999 кг/м³). 
   Две другие модификации: γ-А1₂О₃ и β-А1₂О₃, последняя из которых представляет собой соединение глинозема со щелочными и щелочноземельными оксидами, имеют меньшую плотность (соответственно 3600 и 3300—3400 кг/м³) и более высокие значения  tgδ (≈50•10^-4 и 1000•10^-4). Технический глинозем представляет собой в основном γ-А1₂О₃ с частичным содержанием гидратов глинозема. 
   При нагреве γ-Аl₂О₃ переходит в α-А1₂О₃ с уменьшением объема на 14,3 процента. Для уменьшения усадки керамики при обжиге технический глинозем предварительно обжигают при температуре 1450—1550 °С. 
   Спектрально чистый корунд плавится при 2050 °С, а изделия из него при небольшой механической нагрузке могут быть использованы даже при температуре до 1800°С. 
   Для производства электроизоляционной керамики применяются технический глинозем (шесть сортов), электроплавленный корунд и глинозем особой чистоты в зависимости от назначения керамики. 
   Кальцит — карбонат кальция СаСО₃, представляющий собой плотный кристаллический агрегат, называется мрамором, а при тонкодисперсной структуре — мелом. При нагреве СаСО₃ разлагается с выделением СО₂ согласно реакции СаСО₃ → СаО + СО₂↑.  Скорость разложения зависит от скорости подъема температуры и от давления воздуха. При нормальных условиях температура разложения составляет порядка 900 °С. 
   Для производства электроизоляционной керамики в основном используют мел Белгородского месторождения с содержанием СаСО₃ не менее 98 %. 
   В керамике карбонат кальция используется как основной компонент кристаллических фаз титанатов, станнатов и цирконатов кальция, анортита, волластонита, а также входит в состав стеклофазы различных электрокерамик и глазурей. 
   Ашарит — борат магния 2MgO•B₂O₃•H₂O является стеклообразующим оксидом. Его твердость по Моосу — 4. Он добавляется в керамические массы в количестве 2—3 %. Ашарит в состав ашаритового фарфора вводится в виде предварительно приготовленного спека из глинозема, ашарита и полевого шпата в количестве до 60 % массы, для улучшения электроизоляционных свойств фарфора. 
   Циркон ZrO₂•SiO₂ (цирконовая руда) имеет твердость 7—8; плотность его около 4700 кг/м³. Руду обогащают, в результате полученный циркон содержит ZrO₂ не менее 60 % и Fe₂O₃ не более 0,15 %. Циркон используется в качестве основного компонента в стойкой к термоударам керамике и в виде части кристаллической фазы цирконового фарфора. В последнем случае циркон вводится в состав фарфора вместо кварца, кристаллическая фаза керамики в таком случае представлена цирконом и муллитом. Химический состав сырья, содержащего цирконий. 
Сырьевые материалы для производства других видов керамики. Тальк разных месторождений имеет состав, близкий к 3MgO•4SiO₂•H₂O или 4MgO•5SiO₂•H₂O, с незначительным количеством других оксидов. Лучшие разновидности талька отличаются малым содержанием СаО (от 0,2 до 
1 %) и Fe₂O₃ (от 0,3 до 0,8 %). Тальк должен иметь однородный состав без прослоек, а потери массы при прокаливании не должны превышать 5—7 %. 
   Диоксид титана — мелкодисперсный порошок белого цвета с желтоватым оттенком. Для природного и полученного химическим путем диоксида титана характерен полиморфизм.

3.Начертите диаграмму состояния железо-карбид железо. Укажите структурные составляющие во всех областях диаграммы. Опишите превращения и постройте кривую нагревания в интервале температуры от 0 до 1600 градусов (с применением правила фаз) для сплава 1,7%С. Для этого сплава при температуре 1350 градусов, определите состав фаз (процент содержания углерода в фазах), количественные соотношения фаз.

Диаграмма состояния Fe-Fe₃C характеризует фазовый состав и превращается в системе железо-цементит (6,69% С). Особенности диаграммы – наличие на оси составов двух шкал, показывающих содержание углерода и цементита. Точка А определяет температуру плавления чистого железа, а точка D – температуру плавления цементита. Точки N и G соответствуют температурам полиморфных превращений железа. Точки H и P характеризуют предельную концентрацию углерода соответственно в высокотемпературном и низкотемпературном феррите. Точки Е определяет наибольшую концентрацию углерода в аустените. Значения остальных точек будут ясны после анализа диаграммы.  
Феррит ( обозначается Ф) – твердый раствор внедрения углерода в Fe. Различают низкотемпературный и высокотемпературный феррит. Предельная концентрация углерода в низкотемпературном феррите мала и составляет 0,02%, в высокотемпературном – 0,1%. Столь низкая растворимость в Fe обусловлена малым размером межатомных пор в   ОЦК   решетке. Значительная доля атомов углерода вынуждена размещаться в дефектах. 
Аустенит (обозначают А) - твердый раствор внедрения углерода в Fe_у . Он имеет ГЦК решетку, межатомные поры в которой больше, чем в ОЦК решетке, поэтому растворимость углерода в Fey значительно больше и достигает 2,14%. Аустенит пластичен, но прочнее феррита (НВ 1600-2000) при температуре 20-25 °С.

Цементит (обозначают Ц) - карбид железа Fe₃C Содержит 6,69 %С и имеет сложную ромбическую решетку. При нормальных условиях цементит тверд (НВ 8000) и хрупок. Он слабо ферромагнитен и теряет ферромагнетизм при температуре 210°С. Температуру плавления цементита трудно определить в связи с его распадом при нагреве. Она установлена равной 1260°С при нагреве лазерным лучом.

Графит - углерод, выделяющийся в железоуглеродистых сплавах в  свободном состоянии. Имеет гексагональную кристаллическую решетку. Графит электропроводен, химически стоек, малопрочен, мягок.

Превращения в сплавах  системы Fe-Fe₃C происходят как при затвердевании жидкой фазы, так и в твердом состоянии. Первичная кристаллизация идет в интервале температур, определяемых на линиях ликвидус (ABCD) и солидус (AHJECF). Вторичная кристаллизация вызвана превращением железа одной модификации в другую и переменной растворимостью углерода в аустените и феррите; при понижении температуры эта растворимость уменьшается. Избыток углерода из твердых растворов выделяется в виде цементита. Линии ES и PQ характеризуют изменение концентрации углерода в аустените и феррите соответственно. Цементит имеет почти неизменный состав (двойная вертикальная линия DFKL).   Цементит,   выделяющийся   из   жидкости,   называют  первичным;   цементит, выделяющийся из аустенита - вторичным; цементит, выделяющийся из феррита - третичным. Соответственно линию CD на диаграмме состояния называют линией первичного цементита, ES- линией вторичного цементита; PQ-линией третичного цементита. В системе железо -цементит происходят три изотермических превращения: перитектическое превращение на линии HJB (1499°С)  
   ФН + ЖВ— AJ

эвтектическое превращение  на линии ECF (1147 °С)  
ЖС — [АЕ + Ц]

эвтектоидное превращение на линии PSK (727 °С)  
AS — [ФР + Ц]

Эвтектическая смесь аустенита  и цементита называется ледебуритом, а эвтектоидная смесь феррита и цементита - перлитом.

При нагреве сталей выше Ac₁ происходит превращение перлита в аустенит. Как правило, кристаллы аустенита зарождаются на межфазных поверхностях раздела феррита с цементитом, в аустените растворяется углерод распадающегося цементита.

Превращение перлита в  аустенит состоит из двух параллельно идущих процессов: полиморфного (а —y)-перехода и растворения в Fe_y углерода из распадающихся кристаллов цементита. Полиморфное превращение идет с более высокой скоростью, поэтому после завершения превращения аустенит сохраняет неоднородность по углероду, для устранения которой требуется время (выдержка).

В заэвтектоидных сталях после превращения перлита в аустенит в структуре сохраняются соответственно феррит и цементит. В заэвтектоидных при нагреве от Ас₁ до Асст — растворение вторичного цементита в аустените.

При нагреве выше критической  точки Ac₁, из перлита, независимо от размеров его зерен, образуются мелкие зерна аустенита, которые называют начальными зернами . Повышение температуры стали приводит к росту зерна аустенита, так как происходит процесс собирательной рекристаллизации. Скорость роста аустенитных зерен при нагреве выше температур Ac₃ и Асст неодинакова у разных сталей и зависит от способа их раскисления и наличия легирующих элементов. С учетом скорости роста аустенитных зерен различают стали наследственно крупнозернистые и наследственно мелкозернистые. К наследственно крупнозернистым относятся стали, раскисленные ферросилицием и ферромарганцем. В таких сталях по мере нагрева выше температур АсЗ и Асст зерна аустенита быстро укрупняются.

Диаграмма состояний железо-цементит

   Проведем при температуре  1350°С горизонтальную прямую через точку лежащую между кривыми солидуса и ликвидуса, до пересичения с линиями АЕ и АС, в этой точке в равновесии находятся жидкая фаза (горизонтальная линия пересекается с линией АС-2,75% углерода) и кристаллы аустенита (с линией АЕ-1% углерода).

Чтобы определить количественное соотношение фаз при данной температуре, через заданную точку проводят горизонтальную линию. Отрезки этой линии между  заданной точкой и точками, определяющими  состав фаз, обратно пропорциональны  количествам этих фаз.

bd/bC₁=Q_ж/Q ;

Q_ж = bd/bC_{1 *} 100% = (1,7 – 1)/ (2,75 -1) *100% = 40%

Тогда – Q_в = 100 – 40 = 60%

То есть при данной температуре сплав будет состоять на 40% кристаллов углерода в жидком растворе аустените и 60% кристаллов углерода в аустените.

4. Длинный стержневой  инструмент с поперечным сечением  до 35 см. изготовлен из стали ХВГС.

А) провести анализ условий работы инструмента. Исходя из этого, сформулировать требования, предъявляемые к материалу.

Б) дать характеристику предложенной стали: химический состав ГОСТу, критические точки, цель введения легирующих элементов.

В) назначить  и обосновать режимы термической  обработки детали для получения  требуемых по условиям работы свойств..

Г) описать микроструктуру и привести механические свойства стали  после окончательной термической  обработки.

Д) привести другие марки стали, из которых может  быть изготовлен указанный инструмент и кратко Описать сущность превращений на всех этапах ТО. Объяснить воздействие легирования на превращения, которые протекают на всех этапах ТО данной стали описать термическую обработку.

а) К особенностям относятся: 1)Они работают в тяжелых условиях, имеют большой вылет и часто  ломаются, что объясняется затрудненным отводом стружки, испытывают большие  изгибающие нагрузки, и ударные нагрузки.

Поэтому необходима большая  ударная стойкость, твердость( около 60 единиц HRC), теплостойкость и красностойкость, износостойкость.

б) ХВСГ - легированная инструментальная сталь, (ГОСТ 5950-2000).Содержит С-1%,примерно 1%-хрома, примерно 1%- ванадия, примерно 1%-кремния, примерно 1%-марганца. б_в =981МПа; б = 9% Назначение: измерительный и режущий инструмент, для которого повышенное коробление при закалке недопустимо, резьбовые калибры, протяжки, длинные метчики, длинные развертки и другой вид специального инструмента, холодновысадочные матрицы и пуансоны, технологическая оснастка.

Критические точки: Ас1-770градусов. АсЗ-870градусов. Аг1-730градусов. Мп-160градусов.

Хромирование (поверхностное  насыщение хромом) проводят для повышения  коррозионной стойкости, кислостостойкости, окалиностойкости (до 850° С) и т. д. Хромирование средне- и высокоуглеродистых сталей повышает твердость и износостойкость.

Силтдарованием называется процесс насыщения поверхности стали кремнием. В результате силицирования сталь приобретает высокую коррозионную стойкость в морской воде, в различных кислотах и повышенную износостойкость. Кроме того, силицирование резко повышает окалиностойкость молибдена и некоторых других металлов и сплавов.

в) Закалкой называют термическую  обработку, состоящую из нагрева  доэвтектоидных сталей до температур выше критической точки Асз, а заэвтектоидной стали - выше Ac₁, выдержке при этой температуре с последующим быстрым охлаждением с критической или более высокой скоростью. При закалке сталь приобретает высокую твердость.

При закалке сталь нагревается  до аустенитного состояния. Превращение перлита в аустенит происходит при температуре более высокой, чем указано на диаграмме железо-цементит. Кривые на показывают, что чем выше температура, тем быстрее протекает превращение, и что чем быстрее осуществляется нагрев, тем при более высокой температуре происходит превращение. В результате такого нагрева происходит полиморфное превращение в железе Fea —> Fey (кристаллическая решетка железа из объемно-центрированной кубической превращается в гранецентрированную кубическую), при этом весь углерод, который входил в состав перлита в виде цементита, растворится в гранецентрированной кубической решетке железа. Превращение перлита в аустенит сопровождается измельчением зерна, так как в одном зерне перлита возникает множество зародышей аустенита на границах пластин феррита и цементита. Дальнейший нагрев по окончании превращения вызывает укрупнение аустенитных зерен, скорость роста которых определяется тем, какая используется сталь - наследственно мелкозернистая или наследственно крупнозернистая.