Контрольная работа по "Материаловедению"

измерительного (калибры простой формы и невысоких классов точности) и

небольших штампов холодной  высадки и вытяжки, работающих при невысо-ких нагрузках.65

Высококачественные стали имеют то же назначение, что и качественные, но из-за несколько лучшей вязкости их чаще используют для инструментов с более тонкой режущей кромкой.

Легированные стали для режущего инструмента

По теплостойкости эти стали делятся на две группы:

· низколегированные стали, не обладающие теплостойкостью;

· высоколегированные быстрорежущие стали с теплостойкостью до

600...640 °С.

Низколегированные стали содержат повышенное количество углерода и до 5 % легирующих элементов. По структуре они относятся к заэвтектоидным сталям перлитного класса. Их подвергают неполной закалке от температуры несколько выше A1 и низкому отпуску. Стали имеют структуру мартенсита и избыточных карбидов (легированный цементит) и характеризуются высокой твердостью (HRC 62...69) и износостойкостью. Однако, как и углеродистые, они не обладают теплостойкостью и имеют практически одинаковые с ними режущие свойства. Их применяют для инструмента, работающего при небольших скоростях резания, не вызывающих нагрева свыше 200...260 °С. В отличии от углеродистых они меньше склонны к перегреву и позволяют изготавливать инструмент больших размеров и более сложной формы.

         Быстрорежущие стали - группа высоколегированных сталей, предназначенных для изготовления высокопроизводительного инструмента.

Основное свойство этих сталей - высокая теплостойкость, которая обес-печивается введением большого количества вольфрама совместно с другими

карбидообразующими элементами (Мо, V), а также кобальтом. Инструмент из этих сталей сохраняет высокую горячую твердость до 600...640 °С и допускает в 3...5 раз более производительные режимы резания, чем из сталей, не обладающих теплостойкостью.

              Особенности термической обработки, структуры и свойств быстрорежущих сталей рассмотрим на примере сталей Р18 и Р9, которые по количеству легирующих элементов (W, Cr, V) обозначают 18-4-1 и 9-4-2.

По структуре отжига быстрорежущие cтали относятся к ледебуритному

классу. В литом виде имеют ледебуритную эвтектику. Ее устраняют горячей

деформацией путем измельчения первичных карбидов. Для снижения твердости (до  HB 207...255 деформированную сталь перед механической обработкой подвергают изотермическому отжигу. Структура отожженных сталей состоит из сорбитообразного перлита, вторичных и более крупных первичных карбидов. Общее количество карбидов в стали Р18 составляет примерно 28 %, в стали Р9 -17 %. Основным карбидом стали Р18 является сложный карбид вольфрама переменного состава  Fe3W3C (M6C),  который растворяет в себе часть ванадия и  хрома. В остальных случаях, кроме M6C и небольшого количества карбида (Fe, Cr)23C6, присутствует карбид VC (MC).В карбидах находится 80...95 % вольфрама и ванадия и около половины

хрома. Остальная часть растворена в феррите.

Высокие режущие свойства инструмент из быстрорежущих сталей приобретает после закалки и трехкратного отпуска Из-за низкой тепло-

проводности быстрорежущие стали при закалке нагревают медленно с прогревами при 450 и 850 °С, применяя соляные ванны для уменьшения окисления и обезуглероживания. Особенность закалки быстрорежущих сталей  - высокая температура нагрева. Она необходима для обеспечения теплостойкости - получения после закалки высоколегированного мартенсита в результате перехода в раствор максимального количества специальных карбидов. Степень легирования аустенита (мартенсита) увеличивается с повышением температуры нагрева. При температуре 1300 °С достигается предельное насыщение аустенита  - в нем растворяется весь хром, около 8 %  W, 1 % V и 0,4...0,5 % С.

          Легирование аустенита происходит  при растворении вторичных карбидов. Первичные карбиды не растворяются  и тормозят рост зерна аустенита. Благодаря им при нагреве, близком  к температуре плавления, быстрорежущие  стали сохраняют мелкое зерно.

       Быстрорежущие стали по структуре  нормализации относятся к мартен-

ситному классу. С температуры закалки мелкий инструмент охлаждают на воздухе, крупный  - в масле. Сложный инструмент для уменьшении деформаций подвергают ступенчатой закалке с выдержкой в горячих средах при температуре 500...550 °С.

     После закалки стали не обладают  максимальной твердостью 

(HRC 60...62), так как в структуре, кроме мартенсита и первичных карбидов,

содержат 30...40 % остаточного аустенита, присутствие которого вызвано снижением точки Мк ниже 0 °С. Остаточный аустенит превращают в мартенсит при отпуске или обработке холодом.

      Быстрорежущие стали  - вторично  твердеющие; наибольшая твердость 

достигается после отпуска при 550...570 °С. В процессе выдержки при отпуске из мартенсита и остаточного аустенита выделяются дисперсные карбиды М6С.

       Аустенит, обедняясь углеродом и  легирующими элементами, становится  менее устойчивым и при охлаждении  ниже Мн испытывает мартенситное  превращение. Однократный отпуск  не обеспечивает превращения  всего остаточного аустенита. Применяют  двух-, трехкратный отпуск с выдержкой  по 1 ч и охлаждением на воздухе. При этом количество аустенита  снижается до 3...5 %. Применение после  закалки обработки холодом сокращает  цикл термической обработки. В  термически обработанном состоянии  быстрорежущие стали имеют структуру, состоящую из мартенсита отпуска  и карбидов, и твердость HRC 62...65 . Режущие  свойства дополнительно улучшают  низкотемпературным цианированием (табл. 16 приложения).

По своим режущим свойствам быстрорежущие стали делят на две группы:

нормальной и повышенной производительности.

        Группу нормальной производительности  образуют вольфрамовые (Р18,

Р12, Р9, Р9Ф5) и вольфрамомолибденовые (Р6М3, Р6М5) стали, сохраняющие твердость не ниже  HRC 58 до температуры 620 °С. Из-за одинаковой теплостойкости эти стали имеют близкие режущие свойства и отличаются главным образом механическими и технологическими свойствами. Лучшей обрабатываемостью давлением и резанием, а также прочностью и вязкостью обладают стали Р6М3 и Р6М5. Стали Р9, Р9Ф5 отличаются плохой шлифуемостью из-за присутствия твердых карбидов ванадия.

         К группе с повышенной производительностью  относятся стали, содер-

жащие кобальт или повышенное количество ванадия: Р18Ф2, Р14Ф4, Р6М5К5, Р9М4К8, Р9К5, Р9К10, Р10К5Ф5, Р18К5Ф2. Они превосходят стали первой группы по теплостойкости (630...640  °С), твердости  (HRC ³ 64) и износостойкости, но уступают им по прочности и пластичности. Стали повышенной производительности применяют для обработки высокопрочных сталей, коррозионностойких и жаропрочных сталей с аустенитной структурой и других труднообрабатываемых материалов, где их высокая стоимость окупается более высокими режущими свойствами.

Учитывая высокие требуемые скорость резания и теплостойкость при об-

работке твердых конструкционных и легированных сталей, останавливаем свой выбор на быстрорежущих сталях повышенной производительности при

Марка стали	Р12Ф3	Р18Ф2	Р9М4К8	Р13Ф4К5	Р18Ф2К5
K инд	53	58	75,5	78,9	75,8

Расчет индекса стоимости  показывает, что наиболее дешевой являет-

ся сталь Р12Ф3, которую и выбираем.

Химический состав стали Р12Ф3

 

Хим. состав	C	Mn	Si	Cr	W	Mo	V	S	P	Fe
Содер- жание, %	0,75... 1,05	≤0,4	≤0,5	3,8… 4,3	12,0... 13,0	0,5... 1,0	2,5... 3,0	≤0,04	≤0,035 ...0,04	ос- таль- ное

 

Быстрорежущие стали относятся к карбидному (ледебуритному) классу. В

состоянии поставки фазовый состав стали представляет собой легированный

феррит и карбиды. Для снижения твердости и улучшения обрабатываемости резанием сталь подвергают отжигу при температуре 840...860 °С. Структура отожженных сталей состоит из сорбитообразного перлита, вторичных и более крупных первичных карбидов.

      Для обеспечения высоких режущих  свойств необходимо провести  закалку 

и трехкратный отпуск. Во избежание появления трещин заготовки при закалке нагревают медленно с прогревами при 450 и 850 °С, применяя соляные ванны для уменьшения окисления и обезуглероживания. Температура закалки  1230...1260 °С (табл. 15 приложения). Для уменьшения деформации инструмента применяем ступенчатую закалку с выдержкой в соляной ванне при 500...550 °С.

Микроструктура стали в готовом изделии

      После закалки сталь не обладает  максимальной твердостью 

(HRC 60...62), так как в структуре кроме мартенсита и первичных карбидов

присутствует 30...40 % остаточного аустенита. Остаточный аустенит превращают в мартенсит при отпуске (550...570 °С) или обработке холодом. Проведение трехкратного отпуска обеспечивает повышение твердости до HRC 65...69.Таким образом, применение выбранной стали обеспечит сохранение мартенситной структуры и твердости при нагреве режущей кромки до 620...635 °С,

повышение допустимой скорости резания в 2...4 раза и стойкости инструмента 83 до переточки в 10...30 раз по сравнению с обычными легированными инструментальными сталями

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

5.Выбрать  материал для изделия «Тара  для хранения серной кислоты» с учетом особенностей его функционирования. Привести строение и механические свойства материала в готовом изделии.

Серная кислота — сильная двухосновная кислота. Безводная стопроцентная кислота при комнатной температуре представляет из себя в сильной степени ассоциированное соединение с длинными, образованными за счет водородных связей, цепевидными молекулами. При повышении температуры эти цепочки разрушаются.

Серная кислота имеет огромное промышленное значение и производится в гораздо больших количествах, чем, например, соляная кислота или другие кислоты. Коммерческая H2SО4 обычно это 98%-ный раствор в воде (18 молярный раствор). Чистую кислоту получают в виде бесцветной жидкости добавлением нужного количества SО3 для реакции с оставшейся воды. В твердом и жидком состоянии кислота построена из тетраэдров SО4, связанных водородными связями

H2SО4 не стоит в ряду самых  сильных окислителей, но она представляет  собой мощное дегидратирующее  вещество для углеводов и других  органических веществ и может  разрушать их до элементарного  углерода.

Химическая стойкость полимерных материалов

Агрессивная Среда	Концентрация %	t,C°	Винипласт	Полиэтилен		Полипропилен	Пентапласт	Фторопласт
				НД-ВП	ВД-НП			Ф-3	Ф-4
Кислота серная	До 40	100	-	-	-	-	-	-	-
	40….75	20	С	С	С	С	С	С	С
		60	С	С	С	С	С	С	С
	75…98	20	С	С	С	С	С	С	С
		60	О	Н	Н	С	С	С	С
Коррозионная стойкость (в баллах) сталей   Водный рас- твор концен- трации, %: t , °С 08Х13, 12Х13 08Х18Т1 15Х25 08Х21Н5Т 08Х21Н6М2Т 08Х18Н10Т 08Х17Н13М2Т Серная кислота 10 20 10 10 10 5 4 5 4 - 75 - - - 7 6 7 7 - t кип - - - 10 10 10 10 40 20 - - - 7-8 6-7 7-8 6-7 - 50 - - - 8 7 8 7 - 100 - - - 10 10 10 10 60 20 9 8 8 4 4 4 3…4 - 70 10 10 10 10 9 10 9 - 100 - - - - 10 - 10 98 20 6 6 6 4 3 4 3 - 100 8 8 7 10 9 10 9 100 20 5 4 4 4 3 5 3 - 70 - - - - 7 9 8 150 10 10 10 - 10 10 10 10 Стоимость Фторопласта  250….300 р за кг Стоимость сплава на основе титана 350...450т.р. за тонну Фторопласт -4 - кристаллический полимер, температурой плавления кристаллитов 327°С и температурой стеклования аморфных участков от -100 до -120°С. Даже при температуре выше температуры разложения (415°С) фторопласт-4 не переходит в вязкотекучее состояние (при 370°С вязкость его расплава равна ≈1011П, т.е. в 1000000 раз больше вязкости, (необходимой для литья под давлением), поэтому переработка его возможна только методом спекания отпрессованных таблеток.        В зависимости от скорости охлаждения (до температуры ниже 250°С) после спекания можно получить закаленные изделия со степенью кристалличности ≈50% и плотностью ≈2,15 г/см3 или незакаленные со степенью кристалличности более 65% плотностью выше 2,20 г/см3.При температуре эксплуатации и от -269°С до +260°С степень кристалличности, достигнутая при данном режиме охлаждения, не меняется, при температуре выше 260°С степень кристалличности постепенно увеличивается, особенно быстро она вырастает при 310 - 315°С.     Химическая формула - (—CF2CF2—)n.        Благодаря своему химическому строению (закручиванию углеродной цепи и большому Ван-дер-ваальсову радиусу атомов фтора и высокой прочности связи атомов фтора и углерода) Фторопласт-4 обладает исключительной химической стойкостью и рядом других положительных свойств выгодно отличающих данный материал. Он устойчив практически ко всем кислотам, щелочам, органическим и не органическим растворителям, нефтепродуктам, в широком интервале температур (от - 269°С до плюс 260°С), за исключением расплавов щелочных металлов, трехфтористого хлора и элементарного фтора. Непревзойденная химическая стойкость ПТФЭ позволяет использовать данный материал в химической промышленности для изготовления различных деталей химической аппаратуры, емкостей, трубопроводов, мембран, прокладок, уплотнительных элементов, насосов. Основные показатели физико-механических свойств фторопласта-4 Разрушающее напряжение, кгс/см2 при растяжении  - незакаленный образец (кристалличность 05-08%) .... 140-350*  - закаленный образец (кристалличность 50%) ............. 160-315* и сжатии  - при 1%-ной деформации ............................................. 100  - 10%-ной деформации .................................................. 185 Сопротивлению изгибу (стрела прогиба 6 мм) ........................ 185 Относительное удлинение при разрыт, % ............................... 250-500 Остаточное удлинение, % ........................................................ 250-350 Напряжение при 10%-ном удлинении, кгс/см2 ........................ 110-120 Модуль упругости, кгс/см2  - при изгибе при 20°С ............................................................... 4700-8500  - сдвиге ...................................................................................... 2700 Ударная вязкость, кгс·см/см2 ..................................................... 100 (не ломается) Ударное растяжение, кгс·см/см2 (DIN 53448)  - при 20°С .................................................................................. 650  - 23°С ......................................................................................... 680  (удлинение при 20°С - 20%, при 23°С - 30%) Твердость по Бринеллю, кгс/мм2 ...................................................... 3-4 по Шору при 20°С  - шкала С ......................................................................... 85-87  - шкала D ......................................................................... 55-59 Твердость по Роквеллу  - шкала I .......................................................................... 80-95